综采放顶煤覆岩破坏规律与机理研究讲解.docx
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综采放顶煤覆岩破坏规律与机理研究讲解
第2期矿 山 测 量No12
doi:
10.3969/j.issn.1001-358X.2010.02.010
开采沉陷
综采放顶煤覆岩破坏规律与机理研究
滕永海,杨建立,朱 伟,张华民
（11煤炭科学研究总院唐山研究院,河北唐山 063012;2.潞安环能股份有限公司王庄煤矿,山西长治 ）
2
2
3
摘要:
根据现场实测资料,结合相似材料模拟试验、水裂缝带异常发育,1.32倍,比普采增大2.23倍。
19.75,与普采、分层综采初次采动条件下的裂高采厚比相近,。
关键词:
综采放顶煤;导水裂缝带;发育规律;机理中图分类号:
TD325 文献标识码:
B 文章编号:
1001-358X（2010）02-0032-03 综采放顶煤,一次采全高,开采强度大,势必造成覆岩破坏非常严重,导水裂缝带异常发育。
本文根据潞安矿区现场试验和覆岩破坏观测资料,并结合相似材料模拟试验、数值计算,研究综采放顶煤条件下覆岩破坏规律及机理。
1 地质采矿条件
6206工作面位于王庄煤矿井田的西南部,该工
泥岩、泥岩和第四系黄土层组成,其中第四系黄土层
厚度132m左右,整个覆岩属于中硬偏硬。
2 覆岩破坏观测研究
2.1 综放开采导水裂缝带最大高度
在6206综放工作面的地表共施工了3个“两带”高度观测孔,钻孔的位置分别布置在距切眼距离为445m、584m、540m的地方,其中K1、K3孔布置在风巷、运巷附近,K2孔布置在工作面中间。
观测方法采用简易水文、注水、物探等综合手段。
其中导水裂缝带高度的判读主要是根据钻进过程中上下钻动水位、冲洗液消耗量及相关层段的注水试验结果确定的,冒落带的高度是根据钻速的变化、掉钻、卡钻、吸风等情况确定的。
有关三个观测孔的观测成果见表1。
裂高（m）
114.67102.27114.87
作面开采下二迭系山西组3煤层,煤层厚度6.2～618m,煤层倾角1～8°,工作面采长1780m,采宽148～248m,开始回采的刀把工作面采宽为148m,长度约700m,平均采深316m,平均推进速度为7m/d。
采煤方法采用综采放顶煤一次采全厚,全陷法管理顶板。
#
3煤层上覆岩层主要由中细砂岩、粉砂岩、砂质
孔号
K1K2K3
#
表1 王庄煤矿综放开采导水裂缝带观测成果
有效采厚（m）
5.905.205.70
距切眼（m）
445584540
距风巷（m）
2270128
距运巷（m）
1267820
冒高（m）
—
19.3535.70
裂高采厚比
19.4419.6720.15
冒高采厚比
—
3.726.26
从表1可看出,K1孔导水裂缝带高度为114167m,裂高采厚比为19.44;K2孔导水裂缝带高度为102.27m,裂高采厚比为19.67;K3孔导水裂缝带高度为114.87m,裂高采厚比为20.15。
平均裂
3基金课题:
国家“十一五”科技支撑计划项目（2006BAC09B01）资助
高采厚比为19.75。
K2孔冒落带高度为19.35m,冒高采厚比为3172;K3孔冒落带高度为35.70m,冒高采厚比为6126。
由于工作面中间部位冒落岩层容易压实,冒
高偏小,而边界由于煤壁的支撑作用冒落岩层不容
[1-2]
易压实,其冒高偏大。
32
第2期 滕永海等:
综采放顶煤覆岩破坏规律与机理研究 2010年4月
2.2 综放开采导水裂缝带发育特点
根据实测资料,图1绘出了6206综放工作面导水裂缝带的发育形态及冒落带的发育形态。
不难看出,在综采放顶煤条件下导水裂缝带、冒落带均呈现出两边高中间低的“马鞍型”形态
。
度平均为110.6m,采用分层综采导水裂缝带最大高
度平均为83.9m,采用普采导水裂缝带最大高度平均为49.6m
[3]
综采放顶煤导水裂缝带最大高度比
分层综采增大1.32倍,比普采条件下增大2.23倍。
说明综采放顶煤条件下导水裂缝带发育高度要大得多,分层开采是减小导水裂缝带发育的一个有效途径
[4-7]
。
.、分层综采初次采动。
说明在综放工作面一次采全厚条件下的导水裂缝带发育规律,与分层开采初次采动条件下导水裂缝带发育的最大高度与
[8]
煤层采厚成正比的规律是相近的。
2.3 综放开采导水裂缝带最大高度计算
根据潞安矿区王庄煤矿综放开采3个裂高孔的
图1 王庄煤矿6206工作面导水裂缝带发育形态
为了对比,图2绘出了潞安矿区不同开采方法导水裂缝带高度和煤层采厚关系图,图3绘出了潞
安矿区不同开采方法裂高采厚比和煤层采厚关系[3]
图。
观测结果,并参考五阳煤矿分层综采的观测结果,采用最小二乘法原理,求取综放开采导水裂缝带最大高度预测的经验公式为:
H1i=20.22M+10
式中:
M为煤层有效采厚,m。
3 综放开采覆岩破坏机理研究3.1 相似材料模拟实验
实验采用5m平面相似材料模型实验台,模型比例尺为1∶200,容重比确定为Cr=0.6。
通过相似材料模拟实验,得出:
①随着开采范围的扩大,垮落带和导水裂缝带逐渐发育,最大导水裂缝带高度为129m,裂高采厚比为21.5;②近地表20m厚砂岩的
图2
导水裂缝带高度和煤层采厚关系图
移动变形规律与地表移动变形规律相似,该层砂岩没有起到关键层（控制层）的作用;③地表下沉曲线上山方向陡,下山方向缓,整体下沉盆地陡峭,移动变形集中。
3.2 数值模拟计算
采用离散元法分别对综放开采和分层综采引起的岩层移动与变形规律进行了研究。
通过数值模拟计算,得出:
①综采放顶煤条件下导水裂缝带最大高度为117m（裂高采厚比为19.5）,比分层综采条件下导水裂缝带高度89m增大31.5%;②综采放顶煤条件下地表的最终沉陷变形值要小于分层开采条件
图3 裂高采厚比和煤层采厚关系图
下地表的最终沉陷变形值。
3.3 覆岩破坏机理
从图2、图3及实测资料可以看出,在同样采厚
的条件下,采用综采放顶煤开采导水裂缝带最大高
在工作面开采前,岩体在地应力场作用下处于
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第2期 矿 山 测 量 2010年4月
相对平衡状态。
当矿体采出后,在岩体内部形成一个采空区,导致周围岩体应力状态发生变化,使岩体产生移动变形和破坏,直至达到新的平衡。
对于分层开采,在初次采动时,由于控制层（关键层）的作用,上覆岩层中的裂缝、离层、裂隙比较发育,且得不到完全压实,使得导水裂缝带比较发育;在重复采动时,由于初次采动的影响,上覆岩层已经“软化”,上覆岩层的移动往往呈现出整体下沉特征,
[9-。
中的裂缝、离层、不到完全的压实,,都存在一定的空隙,所以综采放顶煤条件下覆岩破坏非常严重,导水裂缝带异常发育,与分层开采相比导水裂缝带的发育高度要大得多。
4 结 语
（1）综采放顶煤条件下导水裂缝带异常发育,其
坏机理。
参考文献:
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律京:
煤炭工业出版社,
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[7] 胡戈,李文平,程伟等.淮南煤田综放开采导水裂隙
发育形态仍成“马鞍型”。
在同样采厚的条件下,采用综采放顶煤导水裂缝带最大高度比分层综采增大1.32倍,比普采增大2.23倍。
（2）综采放顶煤条件下裂高采厚比为19.75,
带发育规律研究[J].煤炭工程,2008（5）74-76.
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煤
与普采、分层综采初次采动条件下的裂高采厚比
基本相同,说明综放条件下导水裂缝带的发育规律与分层开采初次采动时导水裂缝带的发育规律是相近的。
（3）根据现场实测资料,结合相似材料模拟试验、数值计算、理论分析,揭示了综采放顶煤覆岩破
炭工业出版社,1984.
作者简介:
滕永海（1963-）,男,山东夏津人,博士,研究员。
（收稿日期:
2010-02-01）
（上接第29页）[5] 天涯地物.数字地形模型（DTM）与地形分析[DB/
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[3] 陈述彭,鲁学军,周成虎.地理信息系统导论[M].北
京:
科学出版社,2002.
作者简介:
盖一欣（1981-）,女,辽宁朝阳人,在读硕士生。
2005年毕业于辽宁工程技术大学测绘专业,现就职于朝阳市
土地测绘中心。
京:
科学出版社,2000.
[4] 钟登华,朱慧蓉.GIS在水利水电工程建设中的应用与
展望[J].中国水利,2003
（2）:
62-64.
（收稿日期:
2009-11-18）
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ENGLISHABSTRACTSOFMAINARTICLESINTHISISSUE
ResearchontheLocationAccuracyofVirtualReferenceStation（VRS）System———BasedontheexpandingofVRS（VirtualReferenceStation）,thispaperanalyzedtheerrorsandtheirin2fluencesonthepositioningaccuracy.Besides,thepaperintro2ducedtheworkprincipleofVRS,anddeduceditsmathematicmodelindetailbasedonthemethodofintegratedbiasinterpola2tion.Intheoryitalsodemonstratedthepointcoordinatespreci2sionthroughtheVRSfastdynamicpositioningandprecisedifferencepost-processingtechnology.Thereby,thispaperprovidedsometheoreticalreferencesforthefurtherresearchVRS.MeanwhileitcanbemadeastheforapplicationsoftheVRSthewhichneedhighsalsoextendedintheYi）
DesignandOptimizationPlaneControlNetworkbasedonGIS———Onthebasisofthestudyonhowtoauto-selectcontrolpointsandauto-establishcontrolnetworkwithGIStechnology,anewmethodofcontrolnetworkdesignandop2timizationisproposedinthispaper,whichisbasedonDEManddigitalterrainanalysistechnology.Thecandidatecontrolpointsareextractedandcontrolnetworkisestablishedwiththehelpofdigitalterrainanalysis.Atlast,theMonteCarlomethodisusedtoestiamteprecisionandoptimizethecontrolnetwork.（FanZhiyongetal.）
ApplicationofGPS+RTKCombinedEchoSounderDepthFind2erinMineSubsidenceArea———SurveyingwithGPStechnolo2gyisamajortechnologicalrevolutiontheoutsidesurvey,whichhasabroadprospectinfurtherapplicationanddevelopment.Real-timeKinematic（RTK）positioningtechnologyinthefieldofmeasurementcontainsahugetechnologicalpotential.Echosounderdepthfinderisawaterdepthmeasuringinstru2ments.Thatis,thewaterdepthwillbecalculatedaslongashavingthetimeintervalfrombeinglaunchedtobeingreceivedandthespeedoftheultrasonicvelocityinwater.ThispapermainlyintroducestheapplicationofGPS-RTKtechnologycom2binedEchosounderdepthfinderinCoalMineSubsidenceArea.（WangJianweietal.）StudyontheMechanizmandlawsofOverburdenFailureunderFullyMechanizedTopCoalMining———Accordingtothespotmaterials,simulationexperimentwithsimilarmaterialsandnu2mericalcalculation,thepapermakesasystematicstudyonthelawsofoverburdenfailureunderfullymechanizedtopcoalmin2ingandofthewaterflowingfracturedzonedevelopmentinLuAnMine.Italsoexposesthemechanismofoverburdenfailureandthestratamovement.Itthewaterflowingfracturedzonede2velopsabnormally,itsmaximunheightratiois1.32biggerunderthesameexploitingthicknessthantheoneundermechanizedmining,2.23underconventionalmining.Thecrackheightratioundermechanizedtopcoalminingis19.75,whichissimilarwiththeoneunderconventionalminingandtheinitialminingunderfullymechanizedslicingmining.Itisalsoconsistentwiththedevelopmentlawsoftheinitialmininginthewaterflowingfracturedzone.（TengYonghaietal.）
OntheFloodControlTechniquesoftheThickCoalSeamMiningontheFramingPiecesofMined-outArea———Thepaperbrieflyanalysesthehydropsontheframingpiecesofmined-outarea,wateraccumulatingvolumeandhydrop-flowingways.Takingtheroadwaylayoutinmineintoconsideration,theexplo2
rationanddischargeinthehydropsareawillbemade.Thepa2peralsomentionssomedrainagemethodsofdetection,theyare,griddingwaterdischarge,longholewaterdischargeinlesspres2sureareaofmined-outarea,waterpressuredischargewithlongdrill,waterdrainagewithshortdrillandmulti-drilldrainageaswellasmulti-locationdrainage,whichcanensuretheminingsafety.Furthermore,thepaperprovidestherelavantparametersthegoafhydr.（GaoFeijieetal.）oformationCharacteristicsdeformationobservationinHuanglingmine,thepresentmentanddeformationexpressstrenuouslyandsurfacesubsidenceisupto97%inactivestage.Surfaceismovingwithgreatcrackanddiscontinuousdeformaitonfailure.Thesurfacedeformationdevelopsrapidly.Displacementangleislarge.Subsidencefactorandhorizontalmovementfactorarehigh.Theresultsshowthatcollapsibleloesswithcrackandthegullyterrainledtosurfacecrackwhenoverburdenmovementde2formationdevelopedinloess.Crackfailurewillbefurtherinten2sifiedbymountainbodyslipinducedbyweightforce.Mean2while,subsidencefactorandhorizontalmovementfactorisgrad2uallyhigher.Finally,horizontalmovementandhorizontalde2formationpredictionmodelwaspreliminarilyestablishedaccord2ingtoresultsanalysis.（YuXueyietal.）TheBasicPrincipleandImprovementofREM———ThispaperintroducesthebasicprincipleandapplicationofREM,providesanimprovedmethodandexploresthedemandoftheGraphicswiththismethod.（YanZhimingetal.）
ComparisonAnalysisforSpatialDataInterpolationAlgorithm———IDWandShepardalgorithmsforspatialdatainterpolationareintroducedinthispaper.Thetestresultshowsthatthemod2ifiedSheppardmethodhasmoreadvantagethantheIDWmethodandoriginalSheppardbasedontheSRTMdata.（WangJinling）TheSimpleCalculationMethodforCoordinateAzimuthofStraightLine———Inthispaper,thecalculationmethodofcoor2dinateazimuthwasintroducedbymeansofarctangentfunction,arcsinfunctionandarccosinefunction.Besides,thepaperprovidedtheunifiedmathematicalmodelforcalculatingcoordi2nateazimuthwithoutjudgingquadrant.（WangJjianetal.）ApplicationofLeast-squaresFittingStraight-lineintheShaftCenterCoordinateCalculation———Thepaperdiscusseshowtousetheprincipleofleast-squaresfittingstraight-linemethodtoresolvethemeasuredcrossshaftcenterlineandthentogetthecentercoordinates,whichmakesiteasytograspallthestakeoutpoints.Comparedwiththedesigncoordinates,ifthedifferentialoverruns,theshaftcenterlinecrossneedstobere2surveyed.（ChenMingjian）
StudyandPracticeonTeachinginBilingualLanguagesforGeo2maticsSpecialty———Theresearchfindingsandexperiencesinbilingualteachingaresummarizedaboutcurriculumselection,determinationofteachingmodelandteachingcharacteristicsinmaterialproceduresaimingatthecurriculumprinciplesofGeo2matics,whichisthebackbonetechnicalcourseforsurveyingandmappingspecialtyasinbilingualteachingbasedontheteachingpracticeinbasiccurriculumteachingfromanyyears.Atlast,somedifficultiesinbilingualteachingpracticeareputforward,andthecorrespondingcountermeasuresandsolutionsarealsobroughtforward.（MaZhenlietal.
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