条带开采覆岩移动及托板控制的试验研究中国矿大北京研.pdf

厂 茅 开 ，覆 ，移 ／ 五 j i 条带开采覆岩 移动及托板 控制 的试验研 究 中国矿大北京研究生部 三 盟 王垒庄 峰峰矿务局 邢安仕 彭增再 李保 生 1 前 言 如果按 离采空区的垂直距离来划分开采 影响范 围，可形象地将被采煤层上覆直到地 表的岩土层分 为上 、中、下三段 ．亦即地表 、 覆岩 内部及顶板 对于上段的移动变形与破坏研 究 ．历来 是矿 山测 量 学科 开 采 沉陷 界 的主 要研 究范 畴 ，对下段的 冒落、来压及稳定性研究 ，则 是采矿学科矿 山压力界的研究范畴 。这一上 一 下 ， 的确直接影响到井上人们正常工作 、 生 活及井下生产 ，有必要全面 、认真、深 入地 研究 ，但无可否认的事实是 ．中段才真正是 上 、下两段 移动变 形与破坏 的关键所 在 ，它 7 -P ； 3 是下段的力量来源 ，上段的幕后主宰 。由于 条件复杂 ，缺乏研究手段 ，对这一段的深入 的探索还很少 ，尤其对条带开采时中段覆岩 内部的移动破坏现场试验研究 ，国外缺乏资 料 ，国内还是空 白 考虑到这种紧迫现实 ，拟进 行这 方面的 探索 此外 ，条带 开采时覆岩移动破 坏机 制 表现为煤 柱上方覆岩的压缩 及采空区上方 覆 岩的 冒落、断裂 和挠 曲。为检验理论 的正确 性 ．选择 二矿工 广下小青条采 时机 ，选择原 山青条采区遗留的上山及上 回风巷做 为试验 场所对此进行 了研究。 2 试验设置 于 小青工作面推进之前 ， 自山青 上回风 与原来的刨煤机 推移装置 相 比，改进后 的实际推进 量与预定的推进量 之间的偏 差 已 相当接 近 。 在第 二次试验 时 ，行程控制推移装置 的 推移缸仅 每秒 向前 推进 一 一 次 ，这样 可以减少 作业费用 在此次试验 中 ，刨煤机 的刨深 与 预 定刨深大致相 同 这种新 型推进 系统 ，用于 人工控制 的掩 护式 支架工 作面也获得 了 良好效果 。 3 结 语 只有采用行程控制推移装置 ，刨煤 机才 能定量推进 ，才能获得最佳的刨深 这 种新 型 的推 移装置在工作面经过强化试验 已臻完 箨 。目前这种装置 已能满足预先选 定的刨深 要求 ，不论其弹性和 伸缩灵活性如何 ，都能 保证刨深误差在 4 ra m 以 内。 各种类型 的刨煤 机都 可以采用这种装置 ，因而 这种装置大有 用武之地 。特别适用于莱斯哈肯刨煤机 ，因 为这样刨深可不再仅仅依靠推力 ，而可 以调 节行程 。此外 ，还可 以根据工作面输送机的 负载或煤层的可刨性来预先选定刨深 ，因而 可使刨煤机避免不必要 的过大推力 、防止刨 头 闷车及工作面输送机出现超载 。由于刨深 稳定 ．刨煤机的停机时间可大为减步 ，因而 可增加刨煤机的有效工作时间并 由此可使刨 煤机的截割面积大为增加 Gl i S e k a uf Mi ni n g Re po r t e r ， 1 992， N 9 1 ，2 4 2 6 陈锡 强译朱 见校 33 维普资讯 巷 向 下部小青 煤层 打 了 4个 岩体 内部 钻孔 。 按工作面布置计划 ， 恰好 使得 1 、 4号钻 孔分 别 位于 小青煤柱及邻侧采 空区的中间 ，2 、3 号钻孔则 分别 位于条带煤 柱煤 帮左右 侧 2 m 处 。经事先评估 小青至 山青段 覆岩的组合结 构和岩体特性 ，按不同的 目的在每个钻孔的 特定层位上安装 5个压缩木 。 由于钻孔形成后 ，钻孔 J 剞围岩体 困 一向 应力约束解除而扩容 ，以及风 化和地 应力作 用 ，使得一段时 间之后 下放压缩 木时孔径 变 小或偏斜 ． 给压缩木的安 装造成一定困难 。 图 1为钻孔 、 钻 孔压缩水测点与条带煤 柱 ． 条带 采空 区技工作面推进 的时 、空 关系 。 Ⅲ 一 ml V ，I LI A I， ，，／， 。 Y，， ，，， 抗青 荻岩 n ． 蛐 抗膏燃 砂贞岩 贞 岩 小燃 糟砂岩 砂 页岩 页岩 1 9 9 1 ． 1 2 ． 1 9 9 1 ． I ． 2 4 青荻岩／／ 图 i 钻孔 、钻孔压 缩术测 点与条臂辉 枉 孔 口支架采 用 1 0 0 号槽钢焊制 ，宽 1 m， 高 1 ． 5 m， 混凝土浇注 ， 底梁正好横盖孔 E l 上 部横 梁采用 1 0 0 mm 滚圆木柱 ， 抹黄油 以增 加润滑性 。牵 引压缩木的钢丝 直径为 I mm， 绕过横 梁悬以 S k g 重 铸铁 块 。孔 E l 端面再盖 以带 缝钢 板 ， 以免异物 掉入 。 整个 结构稳 固， 具有很好的工作性能 。图 2为观测钻孔 孔 口 观测设施安装情况 。 在近横木的每根钢丝上 ，用一截胶 布绕 裹并划一横线作为标志点 ，登记每一标志点 距孔 E l 的距离 。以后每次的量测值 与起 始值 之差 ，即为相 应压缩木 处岩体对于孔 E l 的位 移量 ，正值意味着 覆岩体产 生拉 伸变形或 出 现 离层 或偏斜 运动 ，负值 意味着 覆岩 产生 压 缩 变形 。 为监测孔 E l 绝对高程 ，以及把握 回风 巷 顶底板 的移动变形情况 ，从大巷 固定三 角点 出发 ，经 由山青上 山至上 回风巷布设一 条导 线 。导 线在上 山巷遭的顶板 上设 点 ．使用 3 4 旦 H叫 工作面推进方向 条 带 采空 医及 工作面 推进 的时 、空关 系 0 1 0 级经纬仪按籍 氏法 峰峰矿务局的一 种简便可靠并有精度保 证的井下上 山高程导 引法 导 引高程 ；导线在上 回风巷 中于顶底 板铅垂相对设点 其 中底e 、 底a 、 底。 和底 o 号 点分别紧邻孔 E l 4 、3 、2 、1 ．使用 s 水准 仪测高程 。 图 2观测钻 孔孔 口观} 则设施安 装情 况 维普资讯 3 压缩木位移 3 ． 1观 测 结 果 试验设置工作 于 1 9 9 0年 9月 5日完 成 ， 井进行 了首次 高程 量测 小青工 作面 自 1 9 9 0 年 1 2月中旬开 始 回采 ，到 1 9 9 0年 l 2月 2 8 日采完 3个条带 ．此 时工作 面离钻孔平距 为 8 5 m． 采动影响 已经波及钻孔位最 ， 此 时对 压 缩木位移开始 第 1次观 测 。 工作 面 目推进 2 ～4 m 视工 作面长度而 定 ，[ 9 9 1 年 1 月 2 4日停采 ，共采 出 7个条 带 。 对 压缩 木的观测从 1 9 9 0年 l 2月 2 8日一 直持 续到 1 9 9 1 年 9月 2 4日，其 问共观测 了 1 5次 ， 尤其 1月 2 1日至 2月 1日进行 了 6次 密集观测 即每隔 l ～3天观测一次 各钻孔 中压缩术相对 j 孔 口的位移 时间关系 曲 线 见 图 3 a ～ 3 d 。 阿 3 a 扎 1压缩本 位移 时间关 系实测 啦线 3 ． 2数 据 分 析 从时空关 系图 2 ．1中知道 】月 9日之 前应 为未影响期或轻微影响 区，但压缩木相 对于孔 口产生 了较 大的位移量 5 4 0 mm不 等 ， 经研 究分析原 因有 3条 ① 为保持压缩 木泡水挤 胀 ，经常用水管往孔 内注水 ，一方 面造成巷道底板 面淋 水 ，一方面使得孔 内底 板岩石 吸水 ． 从而底板岩石膨胀造成底鼓 ； ② 1月 9日之前 ，该条带 采 区开采的超前 采动 影 响已达钻孔位置 。从 图 2中可 见覆岩 内部 超前影 响角相对 于地 表的超前 采动角来说较 小 ，即在覆 岩内部 ，开采影响的传播范围相 对较远 ；③巷道 底板 即山青 底板 由于上 方约束解 除．在 地应 力作 用下产生向 自由方 向的运 动 ，引起底板岩体 上升 。这些 因素的 综 合影响 改变 了压缩木 与孔 口的相对 距 离 ． 产生压缩木 的虚 位移量 ，这部分虚位移量尤 其在煤柱上方孔 1 、 2的压缩木 位移中占有相 当比例 3 0 ～6 0 ， 在 条带 采空匿 上方孔 3 、4的压 缩木 位移 中占有相 当的数量 2 0 ～ 4 0 mm 。 1月 l 6 ～2 1日及 2 1 ～2 4日分别 凹采孔 l 、2所在煤柱 的北 、南侧条带 图 3 a 3 d都 表 明 ，1月 1 6目至 2月 1目为覆岩移动破坏 图 3 c 孔 3压 缩本 位移 时 间盖系 宴测 曲线 维普资讯 图 3 d孔 4 f 缩 术 他 穆 时 间关 系 实 测 曲 线 的剧烈期 仅指该小 区域 。 2月 1 13以后 为后 续变形及 南工作面影 响期 ，考察这一 时期的观 测值 我们得到 一条 重要结论 煤柱 中心上方覆岩和采空 区中心 E 方 覆岩后续 变形 量小 图 3 a 、3 d ． 南工作 面开 采对 其影 响 大 。即 当某 一条 带采空 以及 当某 一条带煤 柱两侧 采空之 后 ，该 采空 区小区域 的上覆岩体经一周 的移动破坏 ，其 移 动变形 已趋于 稳定，并 且外界较远 区域 同 一 层的回采工作对这 种新 的稳 定平衡状 态干 扰 不大 ；对 于靠 近条带煤 柱侧 帮的上覆 岩体 则不然 ．由于煤柱侧 帮煤体 的流变要经历 个较 长的时间过程 ；由于岩柱及承重 岩层 临 向采空区部分 也要 朝临空一 侧移动变形 ，这 种渐 变过 程是 长期 的 ，尤其对采动应力 比较 敏感 ，从而使得这一 小区域 内的岩 在后续 变 形期 的移动变 形量较大 ，并 且受 外界的回 采影响而呈现‘ 种 稳 定的态 势 图 3 b 、3 c 3 6 曲线的后半段 。 4 伏青灰岩的托板作用 孔 3 、孔 4中压缩的位移数据非常清晰 地反映 了伏青灰岩 的托板式控制 作用 。 该 处条带 采空之后 ，孔 4中 2 0 m 处压缩 术随 着小青灰 岩顶 板的冒落 而拉断钢 丝并与 冒落岩块一起落 下 而 1 5 m处 压缩 木相 对孔 口位移量才 5 3 mm， 到 2 3日已回采前方 另一 条 带时 ，位移量增 至 2 9 5 mm．说 明虽然小青 灰 岩顶 板及 页岩 、砂 页岩层 已经 冒落 ，但该 处 4 ． 4 m 厚的粉砂岩 层仍能暂 时处于悬空 稳 定状 态。又过 两天之后 ， 到 2 5日工作面停 采 后 ， 它的位移量突然增到 l 5 6 0 mm， 而 且 ] 2 m 处压缩木 即位于该粉砂 岩层的上部 钢 丝 被拉断 ，说 明这 时粉砂岩 层已经失稳垮 断 。 此后直到 1 9 9 1年 3月 2 7日停 止观测为 止 ，5 m与 7 m 处两压缩木 的位 移量一直保持 基本稳 定的悬殊 状态 5 m 处压缩木相对于孔 口的位移量仅 8 0 mm； 而 7 m 处压缩木 相对 于 孔 13的位 移量 ，随着粉砂岩 层的失稳 引起 其 所在 的砂 页岩相继 加速 挠曲并断裂 ， 由 2 3目 的 5 8 ram突然 于 2 5日增 到 7 8 2 mm，再 以后 随着新 的应 力稳 定平衡状态的形成 ，它的位 移量基 本保持在 8 2 0 ram。这种 界面 上下位移 的悬殊情况 只能证 明这样 一个 事实 5 m 处压 缩 木所 在的伏青 灰岩体 由于其厚而坚硬 ．在 采宽 1 3 m 的情 况 下它 有足够 的 能力 保持 悬 空稳定状 态并托 负其上 的覆 岩 ，因而控制 了 采空区上 方 冒落断裂趋 势向山青 采空 区及 其 上发展 该 条件 下的裂隙带高度为 l 5 ． 8 m， 约 为煤 层厚 度的 l O倍 。 般 ，地 下采煤 引起 上覆 岩体 冒落 、断 裂 ， 其 冒裂角在 6 O 。 ～8 0 。 的范 围内 位于 冒裂 线下侧 的岩体移动破 坏严 重 ，位于 冒裂线上 侧 的岩体则变形量小 。实测数据表明 ，靠近 煤 柱 的孔 3中 的 压 缩木 就 反 映 这 种 规 律 ， 1 7 ． 5 ram 处的压缩 处于顶板 页岩 中，其位 移 量为 2 8 6 mm， 而 上面 1 5 m、1 2 m、7 m、5 m处 维普资讯 的压缩木的位 移量分别只有 1 0 4 ram、8 6 ram、 4 8 mm和 3 8 ram．很 明 显 冒裂 线 穿过 1 7 ． 5 m 与 1 5 m压缩木之 间 ．冒裂 角 Q大概 为 6 。 根据 以上 事实 ．绘 出该处采空区上方覆 岩移动破 坏图如下 图 4 。 忧 青 袭 岩 供 青 z． s ’- -～ 一 砂 页岩 3 j l 蔚 岩 I 1 2 ■● 噶 I 卜 ， 粉砂 岩 ‘ F 酝 二砖珂岩 页岩 一 o．6嗡 i幽 l I＼ ／ 囤 条带开 采果 空K 方覆岩 的穆动 破坏 图 5 煤柱上方覆岩压缩趋势 分析 从孔 J 、孔 2压缩木位 移一一时间曲线 图中 已经看到 ，该孔所正对煤柱的北侧条带 采空 区及 南侧 条带正 在 回采 时 的 【 月 2 3日 发现了 回峰值 即压缩木相对于孔 口的位移 量变小 为分析方便 ． 抽取 1 9 9 0年 l 2月 2 8 日至 1 9 9 1 年 3月 2 7日的数据 ，并将 位移 比 例尺放大 ，得到如下两张经拟合后 的压缩木 位移 时间拟合 曲线 图 5 a 、5 b 。 由图中可知 ．1月 2 1日之前及 2 3日之 后 ，压缩木相对于孔 口的位移量均呈增大的 趋势 ． 这就 说明在 这种重复 条采的情况下 ， 上 部覆岩经承受很大 的附加应 力 ，附加应 力的 量级在近距煤层群条带开采 、煤柱未对齐 的 情况下表现 尤为大 。这种 巨大 的附加应 力要 由上部煤层条带采出之后残留的条带煤柱与 护巷煤柱来承担 ，并将这种 巨大 的附加应 力 作用于底板之 ，这就迫使底 板向临空方向 鼓起 ．鼓起量 与附加应 力的大小及底板岩 石 强度 、分层厚 度密切相关 ，在这里 ，山青上 同风巷为薄 层页岩 ．强度低 ．因而鼓起量无 疑是很大的 ，使得 钻孔压缩木相对于孔 中的 距离呈逐渐 加大的趋 势 ，从而掩盖 了条带煤 柱上方覆岩 的压缩变形机制 ．掩盖 _广 压缩量 由下往 E累加使得 压缩 木与孔 r T 的相对距离 缩短量逐渐 减小的真相 。 仅 当该煤 柱形成之时的短暂几天 中，即 该煤柱北侧条 带采 出 ．南侧 条带开始 回采的 2 l ～2 3日，由于附加垂直应力的骤然增大及 煤柱侧 向约 束的解除 ，使得煤 柱及其上 方覆 岩很迅速地产 生压缩变 形 ，此时的压缩 变形 趋势要强于 山青底 板的鼓起趋势 。因而在压 缩木的位移 一时间曲线 图上呈现这一 回升 的峰值 固而 ，不难得 出这 样一条结 论 条带煤 柱上方覆岩 的压缩 量在时空上的表现 ，主要 集 中在该条 带煤 柱形 成的那几天 ；此前此后 虽然上覆岩体会困超前附加应力、滞后缓增 的附加应 力及软弱夹层的流变影响而产生部 分压缩量 ．但这 些压缩 量的形成速 率要明显 低于前者 峰 局地 层组 合结构采矿条件下尤 其 如 此 。 6 结论 通过对条 带开采过程中覆岩 内部移动变 形的监 测资料分 析 ．得出如下主要结论 1 当某一条带采空 以及当某～ 一 条带煤 图 5 a孔 l压缩木 位移 时 间拟肯 曲线 维普资讯 图 5 b孔 2压缩木 位移一 时 间拟台 曲线 柱两侧 采空之后 ，该空 区小区域的上覆岩体 经过 约一周 的移动破 坏 ，其移动变 形就基本 趋于 稳定 ，并且 外界 较远 区域 同一层煤 的 回 采对 这种新的稳定平衡状态干扰不大 ；相同 情况 F，靠近 条带煤柱侧帮的上覆岩体则不 然 ．一方 面煤柱侧 帮煤 体的流变 要经历一个 较 长的时间过 程 ；另一方面 ，岩柱及承重 岩 层 临向采空区 的部分也要朝 临空 ⋯侧渐渐地 移动变形 ，使 得煤 柱侧 帮附近的上覆岩体 的 后 续移动变 形量较 大 ，并且对采动应 力比较 敏感 ，受外 界的 回采影响 ，而呈一种不稳定 的态势 ； 2 条带煤柱上 方覆 岩的压缩 量在时空 上 的表现 ．主要集 中在该条带煤柱形 成的那 几天 ，此前此后 ，虽然 上覆岩体 会园超前 附 加应力 、滞后缓增 的附加应 力及软弱 夹层 的 流变影响而产生部分压缩量 ，但这些压缩量 的形成速率 明显低于前者 ； 3 条带开采时在采 空区上方形成局部 冒落裂 隙带 ，冒落带 高度 为 4 ． 8 m， 为煤层厚 度 的 3倍 。 冒落裂 隙带的高为 1 5 ． 8 m， 为煤层 厚度的 】 0 倍 ； | 伏青灰岩厚而坚硬 ，在该开采条件 下起 到 了对 覆岩 移 动变 形 的托 板式 控制 作 用 。 我国经济成分共 9种类型 从 1 9 9 2年 1 0月份 起 ，我国 开始 试用 新 的经 济 类 型标准 ，将我 国经 济成 分划 分为 以下 9种类 型 国有 经 济指 生产 资料 归 国家 所有 的经 济 类 型 ， 它包 括 中央和 地方 各级 国家 机关 、事 业单位 和社 会 断体 使用 国有 资产 投资 举办 的企 业 ，也包 括实 行企 业 化经 营 ，国家 不再 棱拨 经费 或核 投 部分经 费的 事 业单位和 从 事经营性 活动 的社会 团体 。 集体 经济 是指 生产 资料 归公 民集体 所有 的 一种 经济 类型 ，它包 括城 乡所 有使 用 集体 投资举 办 的企 业 ，以及部分 个 人通过 集体 自愿放 弃所 有权 并依 法 经工 商管理 机关 认定 为集体 所有制 的企 业 。 私营 经济 指生 产 资料归 公 民 私人所 有 、以雇 佣 劳 动为 基础 的一 种经 济类 型 ，它 包括 所 有登 记 注册 的私营独资企业 ，私营合作企业和私营有限责任公 司 个体经济指生产资料归劳动者个 人所有 ，以个 体劳 动 为基础 ，劳动 成果 归劳 动者 个 人占有和 支配 的 一种经济 类型 联营经济 指不同所 有性质 的企业之间或企业、 3 8 事业 单 位之 间共 同投 资组成 新 的经 济 实体 、具备 法 人条件 的 紧密型联 营企 业 。 股 份制 经济 指垒 部注 册 资本 由全 体股 东共 同 出 资 ，并以 股份形 式投 资举 办企业 而 形 成的 一种 经 济 类型，股份制经济主要有股份有限公司和有限责任 公 司两种 垒 民、集体 、联 营、私营企 业等经 济组织 虽 以股分 制形式 经 营 ，但 不 以股 份有 限公 司或 有 限 责任公 司登 记 注册 的 ，仍 按原 所有 制性 质 划分 经济 类 型 。 外商投资经济指外 国投资者根据我国有关涉外 经 济 的法律 、法规 ， 以合资 、合作 或独资 的形 式在大 陆 境 内开办 而形成 的一种 经济娄 型 港 、澳 、台投资 经济 指港 、澳 、台地 区投 资者 以 合资 、合作 或独 资 的形 式 在大 陆举 办 企业 而形 成的 一 种经济 类型 其 他 经 济 指 以 上 8种 类 型之 外 的其 它 经 济 类 型 摘 自 中国境计 信息报 维普资讯