采空区底板破坏范围及对下层煤回采巷道围岩稳定性影响分析

２０１３年第１Ｏ期　西部探矿工程　１２９　采空区底板破坏范围及对下层煤回采巷道围岩　稳定性影响分析　赵春山　（新疆富蕴金山矿冶有限公司，新疆阿勒泰８３６１００）　摘要：针对近距离煤层开采过程过中，上层煤开采过后导致下层煤巷道围岩受扰动破坏，下层煤回　采巷道围岩破碎严重、完整性较差的实际情况，利用滑移线场理论结合某矿实际计算了不同采高时上　层煤采空区底板破坏范围，并根据两煤间距变化情况对不同状况下下层煤巷道稳定性进行分析，得出　了采空区底板最大破坏深度随采高的增加而增大、两煤间距越大对下层煤巷道稳定性越小的结论。　关键词：底板破坏范围；围岩稳定性；近距离煤层　中图分类号：ＴＤ３２５．７文献标识码：Ａ文章编号：１００４—５７１６（２０１３）１０—０１２９—０４　近年来快速发展的高产高效技术，使大部分开采条　件较好的煤层在短时间内接近枯竭，致使近距离煤层的　厚度（ｍ）　柱状　岩性　开采问题迅速进人人们的视野，近距离煤层赋存和开采　１４．２　粉砂岩　在我国煤矿中所占比重较大。近距离煤层开采条件下，　１．２　泥岩　上层煤开采引起应力重新分布，打破了下层煤的原岩应　２．Ｏ～３．０　３　煤　‘力状态，使得底板煤层巷道顶板松软破碎，给巷道围岩　２　２　｝　．（砂质变化泥岩不定）　　控制、支护及维护带来非常大的困难　］。当煤层间距很　５．９３　｝　泥岩（变化不定）厚度　　近时，下层煤开采前顶板的完整程度已受上层煤开采损　伤影响，其上又为上层煤开采垮落的矸石，且上层煤开　３　８　４　煤　采后残留的区段煤柱在底板形成集中压力，导致下层煤　１．５　砂质泥岩　开采区域的顶板结构和应力环境发生变化　］。　５．６　／　‘｛　泥岩　１地质概况　８．０　粉砂岩　某矿井下煤层赋存状况如图１所示。从柱状图可　看出，４　煤位于３　煤的下方，两煤层之间的夹层尺寸和　图１煤层柱状图　性质变化不定，在局部地段厚度减／ｂＮ　４ｍ左右，最大　ｂ／Ｈ　＋　Ｃ．ｃｏｔ　Ｍ．ｃｏｓ　・１ｎ　厚度为８ｍ左右。该矿４＃煤回采巷道在两煤层夹层比　ｈｏ＝　（；＋　竹　（１）　较小的情况下巷道松散破碎，局部手抓可动，且巷道局　４　ＣＯＳ（　＋　）　部地段出现底臌现象；分析其原因为该巷道受到上层　煤壁塑性区宽度３７。为：　煤开采时的采动影响，使得巷道顶板岩体松散破碎。　／￣ＴＨ＋Ｃ．ｃｏｔ２采空区底板破坏计算公式　３２Ｏ　：　虿ｍ—　ｌｎ　（２）ｚ　Ｊ　采空区底板下一定范围内的岩体，在支承压力达　底板岩体最大破坏深度距工作面端部的水平距离　到导致部分岩体完全破坏的最大载荷时，采空区内底　ｌ为：　板隆起，形成一个连续的滑移面。根据滑移线场理论，　ｌ１＝ｈ　ｔａｎ　ｒ　（３）　得到采空区底板最大破坏深度ｈ　为　］：　采空区内底板破坏区沿水平方向的最大长度　。为：　收稿日期：２０１３－０２—２６　作者简介：赵春山（１９８６一），男（汉族），新疆乌鲁木齐人，助理工程师，现从事矿山技术管理工作。　１３０　西部探矿工程　２０１３年第ｌＯ期　ｌ　：ｚ　ｔａｎ（　＋　）　（４）　ｔａｎ　；　——三轴应力系数，　＝　１＋　ｓｉｎ９—式中：Ｍ——采高；　志——应力集中系数；　ｙ——采场上覆岩层的平均容重；　，—；　底板岩层内摩擦角。　３某矿３　煤底板破坏范围及与下层煤巷道位置关系　分析　Ｈ——采深；　Ｃ——煤体的内聚力；　——利用滑移线场理论，根据某矿的煤矿围岩物理力　学参数测试结果及实际地质条件，将表１中的参数代人　式１计算不同采高时采空区底板破坏范围。　煤体的内摩擦角；　厂——煤层与顶底板接触面的摩擦系数，　表１计算参数取值表　３．１采高２．０ｍ　采空区底板最大破坏深度为：　ｈ　＝　２．４　一　ｈ　：３．０７ｍ　１＝５．８３×ｔａｎ３５。＝４．１ｍ　２・。×ｃ。ｓ　３５。ｌｎ　乌兰一　薹ｓｉｎ　１５　。………～　＋掣　。　１‘苛　蚩）　３５。　４・－＋ｓｉｎ　１５￣＿．ｔａｎ　１５。×ｃ。ｓ（　＋　３５￣）　１２　３．０７×ｔａｎ（　＋辜）　ｔａｎ３５￣：２９．３ｍ　采空区底板最大破坏深度为：　３．３采高２．８ｍ　为了确定采空区底板破坏范围，利用滑移线场理　ｈ　＝　论计算出煤壁塑性区宽度ｚ。、底板岩体最大破坏深度　距工作面端部的水平距离ｌ　和采空区内底板破坏区沿　水平方向的最大长度　分别为：　２．０　２・８×ｃ。ｓ　３５。ｌｎ　：＿，一ｓｉｎ　ｉｌｉ５　。　…～…　‘　号）＋霉　　”　３５。　１　４・・＋ｓｉｎ　１５　ａｎ　１５。×ｃ　＋等　煤壁塑性区宽度　。、底板岩体最大破坏深度距工　作面端部的水平距离　和采空区内底板破坏区沿水平　方向的最大长度　，分别为：　２．８　１＝４．８６×ｔａｎ３５。＝３．４ｍ　Ｌ２＝２．５６×ｔａｎ（　＋尊）　ｔａｎ３５￣＝２４．４ｍ　３．２采高２．４ｍ　采空区底板最大破坏深度为：　ｈ　＝　２．４×ｃｏＳ　３５　ｌｌ＝６．８×ｔａｎ３５。－－４．７６ｍ　１　一ｓｉｎ　１５。　…　……　（　）　”３５。　４・　＝．ｔａｎ１５￣ｘｃｏｓ（￣－＋　ｌ２＝３．５８×ｔａｎ（号＋孚）　ｇ　ｔａｎ３５。＝３４．２ｍ　３＿４采高３．Ｏｍ　采空区底板最大破坏深度为：　ｈ…＝　５．８３ｍ　煤壁塑性区宽度　。、底板岩体最大破坏深度距工　作面端部的水平距离　和采空区内底板破坏区沿水平　方向的最大长度　分别为：　２０１３年第１０期　西部探矿工程　１３１　３＿０×ｃｏｓ３５　．．．．．．．．．．．．．　．．．．．．．　：　：！．．．．．．．．．一￣＂１　ｓｉ一　ｎ１５　。　…　～　…　（号　晕）ｔａｎ３５。　ｌ＋ｓｉｎ　ｌ５２　ｘ　ｌ＝一１，－ｏｓｌｎｌｂ。０＋０．８　ｘ　ｃｏｔ　１５￣　Ｉｎ—２　ｘ　２５　ｘ　３７８／１００丽１＋ｓｉｎ　１５￣×０８×ｃ０ｔ　ｌ５。　—．４×丽１＋ｓｉｎ１５￣×ｔａｎ１５。×ｃＯｓ（　＋等）　＝３．８３ｍ　ｌ＝７．２９×ｔａｎ３５。＝５．１ｍ　７．２９ｍ　煤壁塑性区宽度　。、底板岩体最大破坏深度距工　作面端部的水平距离　和采空区内底板破坏区沿水平　方向的最大长度１　分别为：　２：３．８３×ｔａｎ（￣＋辈）ｅ　ｚ　。　：３６．６ｍ　根据以上计算结果，可以得出上层煤采空区底　板破坏特征及下层煤回采巷道相对位置关系如图２　所示　Ｈ　３．０７　２９．３　单　：（ｍ）　２ＨＨ　．５６　———　—　—　（ａ）采高２．Ｏｍ　单位：（ｍ）　ｆ　ｂ）采高２．４ｍ　单位：（ｍ）　（ｃ）采高２．８ｍ　（ｄ）采高３．Ｏｍ　图２采空区底板破坏范围与下层煤巷道位置关系　由图２可以看出，采高为２．Ｏｍ时，在两煤夹层为　４ｍ的情况下部分巷道顶板受到扰动破坏，在两煤夹层　为５ｍ时，巷道顶板未受到扰动破坏；采高为２．４ｍ时，　在两煤夹层为５ｍ的情况下巷道顶板受到扰动破坏；在　两煤夹层为６ｍ时，巷道顶板未受到扰动破坏；采高为　２．８ｍ时，在两煤夹层为６ｍ的情况下巷道顶板受到扰动　破坏，在两煤夹层为７ｍ时，巷道顶板未受到扰动破坏；　采高为３．Ｏｍ时，在两煤夹层为７ｍ的情况下巷道顶角　处顶板受到扰动破坏，仍有大部分顶板未产生扰动破　坏，在两煤夹层８ｍ时，巷道顶板未受到扰动破坏。　不同采高时采空区底板最大破坏深度、煤壁塑性　一＋图３采空区底板破坏特征随采高变化关系　底板最大破坏深度随采高变化关系塑性区宽度随采嵩变化关系　——・一Ｌ，随采高变化关系　＊Ｌ　随采高变化关系　区宽度、底板岩体最大破坏深度距工作面端部的水平　距离和采空区内底板破坏区沿水平方向的最大长度的　变化规律如图３所示。　底板最大破坏深度的增大曲率较其余三者大，说明　近距离煤层开采时上层煤采高是影响下层煤顶板稳　定性的主要因素，上层煤采高越大，下层煤顶板越不　稳定，越容易产生冒顶事故，这与煤矿现场实际情形　基本吻合。　４结论　（下转第１３４页）　由图３不难看出，采空区底板最大破坏深度、煤　壁塑性区宽度、底板岩体最大破坏深度距工作面端　部的水平距离及采空区内底板破坏区沿水平方向的　最大长度均随工作面开采高度的增加而增大，其中　１３４　西部探矿工程　２０１３年第ｌＯ期　块状构造：多见于石英脉中，少部分见于矿石中金　属矿物密集分布，形成块状构造。　浸染状构造：矿石中金属矿物呈浸染状分布，形成　浸染状构造。　细脉状、网脉状构造：岩石中石英及褐铁矿、黄铁　矿的金属矿物沿岩石裂隙充填不均匀分布形成细脉　状，网脉状构造。　土状、粉末状构造：位于地表氧化带中，黄铁矿部　分蚀变成黄钾铁矾。黄钾铁矾呈土状、粉沫状不均匀　分布。　岩、火山碎屑岩及后期气（热）液矿化作用的控制，成矿　过程具有明显的多阶段性。　泥盆系浅海一海陆互相沉积的中泥盆统蕴都喀拉　组之火山岩、火山碎屑岩，初始富集了硫、铜、金、银等　元素。晚泥盆世一早石炭世的构造运动控制了岩体的　分布，并提供了热液活动的通道。　早石炭世不同期次的闪长岩、花岗岩侵入，岩浆期　后热液与地下水混合沿构造断裂破碎带迁移，促使火　山岩、火山碎屑岩中的成矿元素随热液不断富集，在岩　体的外接触带不断富集、沉淀形成铜的硫化物矿床。　在随后的接触热液变质作用过程中，矿体受到不　同程度的剥蚀和氧化作用，赋矿火山碎屑岩变成绢云　母片岩（变质砂岩），原生矿石中的铜被氧化成孔雀石　等氧化物。　５．２矿床成因　片状构造：见于矿化蚀变变质砂岩中，岩石片理发　育。　４矿石类型　４．１矿石的自然类型　按自然类型划分，布尔拉克铜矿可划分为氧化矿　石和原生硫化物矿石，以氧化矿石为主。氧化矿石露　头大，氧化物深度可达到３００ｍ以下，氧化矿石数量占　矿床矿石量的９５％以上，氧化矿石具碎裂状、土状构　造。氧化矿、原生矿矿物组合描述如下：　综上分析，布尔拉克铜矿床为岩浆气（热）液成矿　作用形成的交代充填气（热）液型铜矿床。　６结论　布尔拉克铜矿区成矿地质条件较优越，但工作程　度低，地表圈定的矿（化）体以氧化矿为主，目前未发现　氧化矿：矿石矿物共生组合为孔雀石、铜蓝、褐铁　矿、赤铁矿、磁铁矿。　原生矿（化）体。今后找矿方向：应深入研究该区物化　探异常，对“重、磁、电”同源异常实施中深部钻探验证，　寻找原生矿体，有望实现地质找矿重大突破。　参考文献：　原生矿：矿石矿物组合为黄铜矿、黄铁矿、磁铁矿　等。　４．２矿石的工业类型　按矿石的构造，可分为细脉浸染状矿石、薄膜状矿　石，为该矿区主要矿石。　５矿床成因　５．１成矿期与矿化阶段　［１］冯钟燕．矿床学原理［Ｍ】．地质出版社，１９８４．　［２】赵鹏大．矿产勘查理论与方法【Ｍ】．中国地质大学出版社，　２０ｏ６．　布尔拉克铜矿区主要成矿元素的矿化作用受火山　（上接第１３１页）　［３】刘学请．新疆青河县布尔拉克铜金矿普查报告［Ｒ】．新疆地质　勘查中央专项资金项目管理办公室，２０１２．　通过对某矿近距离煤层开采时上层煤回采对下层　煤顶板稳定性的影响分析，将该矿顶底板及煤体的相　关参数代人推导理论公式中并计算得出了上层煤不同　采高时底板最大破坏深度、煤壁塑性区宽度、底板岩体　最大破坏深度距工作面端部的水平距离和采空区内底　板破坏区沿水平方向的最大长度，在此基础上分析了　学出版社，１９９９．　［２］董方庭．巷道围岩松动圈支护理论【Ｍ】．煤炭Ｔ业Ｈ｛版社，　２００１．　［３］钱呜高．岩层控制关键层理论【Ｍ　Ｊ．中国矿业大学出版社，　２０００．　［４］杜波．近距离煤层开采侧向支承压力分布的相似模拟实验　研究ｆＪ１．河南理Ｔ大学学报，２００６，２５（５）：３５９－３６３．　【５】李良林，陈怀河．近距离煤层开采的矿压显现【Ｊ】＿煤炭技术，　２００４，２３（１　１）：５　ｌ一５３．　采高对下层煤顶板稳定性的影响，得到了不同采高情　况下欲使下层煤顶板稳定的安全夹层厚度，为煤矿相　似条件下近距离煤层开采提供理论参考。　参考文献：　［１】侯朝炯，郭励生，勾攀峰．煤巷锚杆支护【Ｍ　Ｊ．中国矿业大　【６】张金才，张玉卓，刘天泉．岩体渗流与煤层底板突水【Ｍ］．　地质出版社，１９９７．　【７】王作字，刘鸿泉．承压水上采煤【Ｍ］．北京：煤炭Ｔ业ｍ版　社．１９９３．