刀柱采空区上方遗弃煤层上行开采可行性判定_冯国瑞

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刀柱采空区上方遗弃煤层上行开采可行性判定_冯国瑞

　第34卷第6期

　2009年6月煤　　炭　　学　　报JOURNALOFCHINACOALSOCIETYVol.34　No.6　June　2009　　　文章编号:0253-9993(2009)06-0726-05

刀柱采空区上方遗弃煤层上行开采可行性判定

冯国瑞,张绪言,李建军,杨双锁,康立勋11211

(1.太原理工大学矿业工程学院,山西太原　030024;2.中北大学理学院,山西太原　030051)

摘　要:针对刀柱采空区上方遗弃煤层开采问题,分析了现有上行开采可行性判定方法的不足.受关键层理论启迪,基于刀柱采空区上方岩层可形成的结构和上层煤开采对层间岩层的影响,提

出了关键层叠合破断距的概念,形成了“5步法”刀柱采空区上方遗弃煤层上行开采可行性判定理论及方法.用本文提出的方法判定白家庄矿8号煤层刀柱采空区上方遗弃的6号煤层可以上行

开采,并在生产实际中实施,开采情况正常.

关键词:刀柱采空区;遗弃煤层;上行开采;可行性

中图分类号:TD823.5　　　文献标识码:A

Feasibilityontheupwardminingoftheleft-overcoalabovegoaf

withpillarsupportingmethod

FENGGuo-rui,ZHANGXu-yan,LIJian-jun,YANGShuang-suo,KANGLi-xun

(1.InstituteofMiningTechnology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan　030024,

Taiyuan　030051,China)China;2.CollegeofScience,NorthUniversityofChina,11211

Abstract:Inallusiontotheleft-overcoalabovegoafwithpillarsupportingmethod,thedeficiencyofthedecisionmethodonfeasibilityontheupwardminingwasanalyzed,thetotalfractureintervalofkeystratawasproposedonthebasisofkeystratatheory,thenewdecisiontheoryand“fivestepmethod”onfeasibilityontheupwardminingwaspresentedconsideringrockstructureandminingeffect.Atlast,itwasdeterminedasfeasiblethattheleft-overNo.6coalabovetheNo.8coalgoafwithpillarsupportingmethodinBaijiazhuangCoalMineofXishanCoalElec-tricityGroupCompany,operationalexperienceinBaijiazhuangCoalMineshowsthatitprovidesafeasiblemethodtodeterminefeasibilityontheupwardmining.

Keywords:thegoafwithpillarsupportingmethod;theleft-overcoal;upwardmining;feasibility

　　由于多种原因,很多刀柱采空区上方遗弃有可采价值的煤层[1].在资源日趋短缺的今天,探讨如何开采利用这些煤层非常必要,也引起了采矿界的一致关注.限于现有工程技术水平,刀柱采空区上方遗弃煤层哪些可以回采,哪些不能回采,即刀柱采空区上方遗弃煤层上行开采可行性问题还没有专门的理论.等[2]目前关于上行开采可行性的判定方法有比值判别法、“三带”判别法、围岩平衡法、数理统计法.所有这些方法多是基于经验在“三带”判别法的基础上重点考虑上下煤层层间距,直接或间接的认为只要上下煤层间距超过一定的限值,上煤层就可在下煤层采空区上方上行开采.但是对于煤层开采后上覆岩层不形成“三带”的煤岩层,如何准确判断这些刀柱采空区上方遗弃煤层是否可以上行开采显然

收稿日期:2009-02-08　　责任编辑:常　琛

　　基金项目:国家自然科学基金资助项目(50704024);山西省青年科技研究基金资助项目(2007021024);太原市技术创新计划资助项

目(0803003);太原理工大学矿业启明星计划资助项目

　　作者简介:冯国瑞(1976—),男,山西阳城人,讲师,博士研究生.Tel:0351-8835659,E-mail:fguorui@163.com

第6期冯国瑞等:刀柱采空区上方遗弃煤层上行开采可行性判定

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是一个全新的挑战,而且综观以上方法,都未从采空区上方岩层结构的本质入手,更没有考虑上部煤层开采的采动影响.本文以全新的思路提出了基于结构理论的刀柱采空区上方遗弃煤层上行开采可行性判定理论及方法.

1　刀柱采空区上方遗弃煤层上行开采可行性判定理论及方法

对于种种原因造成刀柱采空区上方滞留有遗弃煤层的煤矿,其刀柱采空区与遗弃煤层之间(层间岩层)一般由多个厚度不http:///
一、性质各异的岩层组成.遗弃煤层是否适宜上行开采主要取决于这些层间岩层是否可以形成一定的力学结构.本文立足于岩层结构的力学特性,考虑上层煤开采的采动影响,在关键层理论的基础上提出了刀柱采空区上方遗弃煤层上行开采可行性判定理论及方法.

第1步:结合矿区地质柱状图钻孔取芯,明确层间岩层的组成,并将这些岩层统一编号.对于厚度较小的岩层,可作为软弱夹层处理;对于厚度较大或特厚岩层,根据沉积过程中形成的天然节理,可人为分层.因为实际观测中,有时离层也在特厚岩层内部产生,从而形成2个独立运动的单元.一般情况下,均以自然层面作为分层的界线.

[3-5]

第2步:根据关键层理论,从坚硬岩层及其破断距入手,用式(1),(2)确定层间岩层中的关键层.

γh<Em+1∑Em+1h

i=1

iim

2m+1

∑hγ,

i=1

(1)(2)

<hTj+1jjTj+1,j+1

式中,h,γ,E岩层的厚度、容重、弹性模量(i=1,2,…,m,m+1);h,hiii分别为第ijj+1分别为第

j,j+1层坚硬岩层的厚度,m;R,R分别为第j,j+1层坚硬岩层的抗拉强度,MPa;q,qTTjj+1分别为jj+1第j,j+1层坚硬岩层承受的载荷,MPa.

第3步:确定下部煤层采空区的尺度.比较采空区沿煤层走向和倾向的水平最大悬空尺度l和z,max

l=min(l,l.q,max,取采空区悬空跨度lz,maxq,max)

第4步:考虑上层煤开采对层间岩层的影响,计算各关键层的叠合破断距lyk,并比较其与采空区悬空跨度l的关系,满足式(3)的判定为可以上行开采,否则转入第5步.

lax(hin(l)　　(k=1,2,…,n),yk,max=mkTyk)>mz,maxlq,max

(3)

其中,n为第2步判定的层间岩层关键层层数;h层关键层的厚度;R层关键层的抗拉强k为第kT为第kk度;qqq,q层关键层所承受的均布载荷(按传统矿压理论计算);yk=k+yk为不考虑上层煤采动影响时第kqξkH为由于上层煤开采影响而引起的作用在第k层关键层上的等效均布载荷;ky=pγp为上层煤开采支承压力峰值区应力集中系数,一般取1～3;H为上层煤埋深;ζ为由于上层煤采动影响而引起的第k层关

[6-

键层上的竖向附加应力系数(可由支承压力在底板岩层中传播方法求得),即

[4]

arctag

2x0l

8x0lt∑h

t=1

∑h

t=1

+16x4()0+t∑h

t=1

222

h)t+16x)16x+4(∑0+

4(t∑ht=1

t=1

l+4(t∑h

t=1

8x0∑t=1

πl

4()t∑h

t=12

t=1

x)0+4(t∑h

t=1

[10]

(l+4()t∑h+16x4(0+t∑h

t=1

式中,x;h层岩层厚度(从上层煤底板开始自上而下t=1,0为超前支承压力极限平衡区宽度t为第t

2,……);g为第k层关键层按此方法计算的其所在岩层数.

第5步:第4步无法判定的岩层,通过计算满足式(4)的判定为可上行开采,否则不可以上行开采.

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煤　　炭　　学　　报

h(Kcosα,k>M-k-1)i∑h

(4)

2009年第34

卷

式中,K层关键层下垮落岩层的平均碎k为第k胀系数;α为煤层倾角;是第k层关键层下i∑h部的所有层间岩层厚度之和.

刀柱采空区上方遗弃煤层上行开采可行性判定方法如图1所示.

2　上行开采可行性判定实例

山西焦煤集团有限责任公司西山煤电集团

公司白家庄矿20c90s越过6号煤层开采了下部的8号煤层,目前资源紧缺,需回收有开采价值的6号煤层.其处于8号煤层刀柱采空区上

图1　上行开采可行性判定

Fig.1　Flowdiagramofdecisiononfeasibilityoftheupwardmining

方的36703工作面属典型的刀柱采空区上方遗弃煤层.该工作面地面位置位于冶峪风井西南部山区,井下位于南坑1001水平七盘区右翼,左前部为36502工作面采空区,左后部为未采区,右部为36701工作面未采区,下部为38502刀柱式采空区.36703工作面和下面刀柱采空区布置平面图如图2所示.6号煤层平均埋深100m,判断6号煤层上行开采的可行性.

(1)通过钻孔取芯,结合地质柱状图明确刀柱采空区上方遗弃煤层与下部已采煤层间的岩层组成,如图3所示

图2　36703工作面和下面刀柱采空区布置Fig.2　Planelayowtof36703faceandlowergoa

图3　遗弃煤层与下部已采煤层间的岩层组成Fig.3　Rocksbetweenleft-overcoalandlowermined-outspace

i=1

(2)根据关键层理论,从下部煤层往上确定层间岩层中的关键层位置.γh.72×2∑Eii=γ2E1h1=2

i=16

i=1

2i=16i=1

5.95×3.8=888.05>Eh.86×3.2×3.8×2.71=512,同理计算得γh<Eγ,2h1γ1=43∑E3h∑hii

i=17i=1

3i=1

7i=1

i=18i=1

4i=1

8i=1

i=1

5i=1

γγ,γh>Eγ,γh>Eγ,γγ,4∑Eh>E4h∑hii5∑E5h∑hii6∑E6h∑hii7∑Eh>E7h∑hiiγhγ,γhγ.8∑Eii>E8h8∑hii9∑Eii>E9h9∑hii

结合图2和以上计算分析可知,8号与6号煤层的层间岩层共有2层坚硬岩层:其中8号煤层的直接

顶(3.8m的石灰岩层)是第1层坚硬岩层,从8号煤层往上第3层岩层(7.5m的石灰岩层)是第2层坚硬岩层.以下分析l1和l2,限于篇幅本文选择了计算较为繁杂的l2.

第6期冯国瑞等:刀柱采空区上方遗弃煤层上行开采可行性判定

23729(1)其中关键是qq.1×7.5=203.25kN/m,(qγ2,由组合梁理论计算:1=γ1h1=272)1=E1h1(1h1+

γ/(E.22kN/m>q(qqqqqq2h2)1h1+E2h2)=2761,同理可得:3)1>(2)1,(4)1>(3)1,(5)1>(4)1,(qqqqqqq.04kN/m<(q.36kN/m,所以q6)1>(5)1,(7)1>(6)1,(8)1>(7)1,(9)1=18)1=4832=(q36kN/m.8)1=483.