覆岩破坏规律与水体下采煤技术修改.docx

1、覆岩破坏规律与水体下采煤技术修改煤矿覆岩破坏规律与水体下开采技术（摘要）煤炭科学研究总院文学宽 2008年9月18日一、覆岩破坏规律研究的目的采掘工作面支护参数及井巷煤柱的合理留设；近水体煤层开采的可行性评价及开采上限的合理确定；煤层群上行开采的可能性和安全性评价；高瓦斯、易自燃近距离煤层开采防灭火措施的制定；“双突”矿井瓦斯预抽范围及解放层的选取；采矿权重叠矿井安全评价。二、覆岩破坏的研究简史覆岩破坏的研究只有近百年的历史。前苏联、德国、利比亚、中国等国学者均进行了研究。近年来，由于研究方法、计算机的广泛和实测手段的应用，使覆岩破坏的研究进入了一个新的发展阶段，但由于覆岩的复杂性、现场实测条

2、件的限制，至今未形成系统的理论。目前应用比较广泛的理论或假说：拱形垮落理论：悬梁（或悬板）垮落理论：垮落岩块碎胀充填理论：垮落岩块铰接理论：予成裂隙假说：三、覆岩破坏与采动影响采动影响引起覆岩移动变形和破坏采动影响是指回采引起的围岩活动现象及造成的种种损害，包括：采动后岩层（岩体）和地表的应力变化；采动后岩层（岩体）和地表整体性移动；采动后岩层（岩体）和地表垮落开裂性破坏。采场采动影响的分布特征:在采用长壁全部垮落采煤法的情况下，采空区顶、底板岩层及所采煤层本身中的采动影响，按其性质及程度可分为三个区带，即：应力微变化区；微小变形与移动区；开裂垮落性破坏区。以上这三个区带的范围大小主要受采厚、

3、倾角、岩性、地层结构等影响。下面以中等硬度岩（煤）层为例，说明采场采动影响的分布特征： 1、覆岩切冒型破坏破坏形态：既不像有规律的“三带” 型破坏，又不象非均衡破坏那样逐渐向上抽冒，而是突然一次性的由煤层顶板直达地表。垮落下来的岩块与未垮落岩体之间的裂隙形如刀切。破坏特点：垮落岩体呈反漏斗形状；单次垮落的面积大；垮落范围小于开采范围；地表下沉均匀，周边裂隙宽度达0.5m，深不见底。产生条件：覆岩整体性强，坚硬难冒，如大同矿区单向抗压强度80-200MPa。开采煤层厚度大，开采深度小，如大同煤厚5-6m，采深100m以内。采场采动影响的分布特征采动影响部位 采动影向性质 不同煤层倾角采动影响范围

4、 （m）采动影响后果 35 3654 55 工作面前(后)方所采煤层本身 应力微变化区微小变形与移动区开裂垮落性破坏区80150303503 801503035 巷道维护容易,透气性微增,隔水性不变巷道维护困难,隔水性微受影响，透气性增加巷道不能维护、隔水（气）性完全破坏 采空区上（下）侧所采煤层本身 应力微变化区微小变形与移动区开裂垮落性破坏区（下侧）80100*(下侧）1525*(下侧）23（上侧）4060（上侧）1030（上侧）25（上侧）3050（上侧）1030（上侧）520巷道维护容易,透气性微增,隔水性不变巷道维护困难,隔水性微受影响，透气性增加巷道不能维护、隔水（气）性完全破坏

5、采空区顶板岩层 整体移动带开裂性破坏带垮落性破坏带3040m以上930m06m 3040m以上930m06m 321m（煤层）37m（煤层） 巷道有可能维护、透气性增加，隔水性微受影响巷道难以维护，隔水（气）性完全破坏巷道不能维护，隔气性完全破坏，无隔水、泥、砂能力采空区底板岩层 鼓胀开裂带微小变形与移动带应力微变化带 815*2025*6080 巷道难以维护，隔水（气）性受破坏巷道可以维护、隔水（气）性受破坏巷道维护容易，透气性微增，隔水性不受影响 2、覆岩拱冒型破坏破坏形态：覆岩在局部地方或大面积发生垮落，但发展到一定高度后形成悬顶、垮落的范围呈拱形。破坏特点：近煤层的顶板岩层受到破坏、远

6、离煤层的顶板岩层不受到破坏；采空区周围垮落高度小，中央垮落高度大，类似拱形；垮落有时瞬时发生，有时是逐次发生；产生条件：开采范围小或巷道掘进时；长壁开采初次放顶时；垮落条带法开采；急倾斜煤层回采区段的倾斜及走向长度较小。3、覆岩“三带”型破坏：采用全部垮落法处理采空区的长壁工作面煤层采出后，从煤层直接顶板开始，由下向上依次垮落、开裂、离层、弯曲经过若干时间终止移动。从特殊开采需要出发、对移动期间和移动稳定后的上覆岩层，按其破坏程度的不同，大致可分为垮落带、裂隙带、弯曲带。覆岩垮落带破坏长壁工作面回柱放顶或移架后，与煤层毗邻的直接顶失去支撑力，垮落、破碎形成岩块堆，其特点：不规则性。垮落带下部为

7、不规则垮落。垮落带内岩块不能传递水平力，控顶范围内垮落带的岩层重量由支柱或支架支撑。膨胀性。岩石的碎胀性使垮落带岩石的体积增大，使垮落带与未垮落顶板岩层下方的自由空间逐渐变小，使垮落不再继续。高度控制因数。垮落带与煤层采厚、上覆岩层岩性、碎胀系数、煤层倾角和直接顶厚度。覆岩裂隙带破坏垮落带之上的和整体移动带之间的岩层产生断裂或裂缝。其特点：岩层破坏有规则：无论是垂直岩层面或平行岩层面的裂缝均使岩层保持原有的层状；破坏程度分带明显：裂隙带在垂直剖面上分为：严重断裂、一般开裂和微小开裂。破坏高度与开采空间与时间关系：破坏高度随开采空间扩大而向上发展，达到最大高度之后，不再发展，并随时间推移，岩层趋

8、于稳定。上部裂隙逐渐闭合，其高度随之降低；重复采动减弱破坏程度：厚煤层第一分层以后的分层开采时，裂隙带高度上升的幅度和初次采动减小。覆岩弯曲带破坏裂隙带上界至地表的岩层称为弯曲带，曾称弯曲下沉带或整体移动带。其特点：垂直弯曲、水平受压、隔水性增强。岩层在自上而下沿层面法向弯曲，在水平处于双向受压，当岩性较软时，隔水性能增强。岩层完整不存在破坏。岩层移动连续有规律，保持整体性和层状结构，不存在或极少存在离层裂隙。上方地表形成下沉盆地。盆地边缘往往要出现长裂隙，其深度3-5m，一般小于10m。裂隙宽度向下渐窄，至一定深度后闭合消失。覆岩“三带”型破坏的最终形态覆岩“三带”型破坏形态不仅决定覆岩的破

9、坏范围，而且决定破坏的最大高度。以前认为采场与掘进巷道的覆岩破坏形态类似，均为中间高、四周低的拱形形态。通过现场实测：长壁全陷开采缓倾斜煤层，当工作面初次放顶后，不再出现垮落拱，其形态与煤层倾角有关。按倾角划分为3种形态：a、近水平、缓倾斜煤层：0-35；b、中倾斜煤层：36-54；c、急倾斜煤层：55-90。近水平、缓倾斜煤层覆岩破坏最终形态（0 35）除特别坚硬岩层其裂隙带两端边界一般会超出开采边界，呈马鞍形。其特点： 采空区四周边界略高。中间较低，两端较高，最高位于采空区斜上方。 采空区中央破坏高度一致。采空区面积相当大，且采厚大体相等时，中央破坏高度基本一致。 垮落角、裂隙角大于移动角

10、。采空区四周边界垮落带、裂隙带范围与开采边开采边界上水平面形成的垮落角和裂隙角比基岩移动角大。马鞍形产生原因：煤层倾角小。开采边界区和采区中央区的变形值不同。工作端部和中部下沉量和下沉速度不一样。中倾斜煤层覆岩破坏范围最终形态（36 54）垮落带、裂隙带破坏范围在倾斜方向上呈上大狭小的抛物线拱形形态。但在走向方向上仍为马鞍形形态。产生原因：当煤层倾角为36-54时，采后垮落岩块落到采空区底板后，向采空区下部滚动，使采空区下部被垮落岩块填满，从而不再继续垮落。而采空区上部，由于垮落岩块的流失，等于增加了开采空间，故破坏高度大。急倾斜煤层覆岩破坏范围最终形态（55 90）垮落带呈耳形或上大下小的不

11、对称拱形，裂隙带形状与垮落带类似。其特点：破坏性影响更加偏向于采空区上边界；破坏范围有顶板、底板及所采煤层本身；随煤层倾角的加大，垮落带、裂隙带范围逐渐转变为椭圆拱形形态。产生原因：开采倾角较大的急倾斜煤层时，由于垮落带岩块滚动下滑加剧，迅速充填采空区下部空间，限制了下部的垮落带和裂隙带向上发展。采空区上部、边界煤柱片帮、破碎、抽冒，使垮落带和裂隙带急剧向上发展。四、覆岩破坏范围最大高度影响覆岩范围最大高度的主要因素1、岩性软硬程度：覆岩直接顶和基本顶都比较坚硬的条件下，下沉量小，使垮落过程充分发展，“两带”高度大。而软弱岩层顶板松软破碎，随采随落，采空区易充满，覆岩下沉量大，“两带”变化小。

12、为了便于进行覆岩破坏最大高度的计算，按覆岩单向抗压强度划分为四类。覆岩岩性单向抗压强度 (MPa)主要岩石名称坚硬岩石：中硬岩石：软弱岩石：极软岩石： 4080 2040 1020 1000m岩性：中硬下沟矿8.511412813.4115.0514.41.758.36.9岩性：中硬鲍店矿8.59710711.4112.5814.41.758.36.9岩性：中硬济三矿6.318.621.766.610.376.36.36.388850.28工作面长170m6.368.610.8550.28走向长1614.8m6.366.510.5250.28岩性：中硬层间距：平均34.84m水体下采煤技术一、

13、影响水体下安全开采的因素1、水体类型及与开采煤层的相对位置地表水体：如江河湖海、水库坑塘；地下水体：孔隙水体、基岩裂隙水体、灰岩岩溶水体2、防水煤岩柱含、隔水性及结构含、隔水层的划分：土层中粘土（粒径小于0.005mm）大于30%，防水性良好；岩层中泥岩、页岩、砂质页岩防水性好；岩层中软岩隔水性好，泥质胶结的砂岩隔水性。软硬岩层交互沉积，且软岩距煤层较近的结构较好。3、覆岩导水裂缝带高度及波及范围对于地表水体，松散层底部和基岩中的强、中含水层水体或要求保护的水源。不允许导水裂缝带波及；对于松散层底部的弱含水层水体，允许波及。对于厚松散层底部为极弱含水层或可以疏干的含水层，允许波及，同时允许垮落

14、带波及。二、水体下采煤的方式1、顶水开采对水体基本不处理，在水体与煤层之间保留一定厚度或垂高的安全煤岩柱2、疏水开采利用矿井排水系统，开掘专门疏水巷道，通过巷道或钻孔疏通上部水体后开采。可以先疏后采或边采边疏3、顶疏结合开采采多层水体或多层含水体威胁，对于远离煤层水体顶水开采，较近煤层采用疏水开采4、堵截水源与疏水开采三、国外水体下采煤的规定国外较早地对水体下采煤进行了研究，在20世纪70年代原苏联 的保安规程中，规定了水体下安全开采深度： H=KM式中：H-水体下安全开采深度； K-安全系数； M-采厚。原苏联水体下采煤的安全系数水体北顿涅茨河大水店其他河流终年流水山洞倾角（度）454545

15、454545安全系数1502001001505070四、中国水体下采煤安全煤岩柱留设方法安全煤岩柱是从开采上限制上覆水体底界面之间的煤层、岩层和松散层的总称留设原则：保证水体下安全开采，尽可能地减少留煤柱所造成的资源损失煤柱种类：防水安全煤岩柱，防砂安全煤岩柱，防塌安全煤岩柱1、防水安全煤岩柱留设方法留设目的：不允许导水裂隙带波及水体（1）地表有松散覆盖层时 HShHLi+Hb式中 HSh-防水煤柱垂高，m； HLi-导水裂隙带最大高度，m； Hb-保护层厚度，m。（2）当煤系地层上部无松散层覆岩，采深较小时，应考虑地表裂隙（diLi） HshHLi+Hb+HdiLi (3)松散层为强或中等含

16、水层，与之接触的基岩风化带也含水，则应考虑基岩风化带深度（Hft） HshHLi+Hb+Hft 2、防砂安全煤柱留设方法 留设目的：允许导水裂隙带波及松散弱含水层或已疏降的松散强含水层。其垂高（HS） HSHm+Hb 3、防塌安全煤岩柱留设方法留设目的：不允许导水裂隙带波及松散弱含水层或已疏干的松散强含水层，同时允许垮落带接近松散层底部。其垂高（Ht）等于或接近于垮落带的最大高度（Hm）即 HtHm4、防水安全煤岩柱保护层厚度 5、防砂安全煤岩柱保护层厚度6、急倾斜煤层防水及防砂煤岩保护层厚度五、水体下采煤井下安全技术措施1、择优开采先采远离水体，后采临近水体煤层；先采隔水层厚的，后采隔水层薄的煤层；先采深部后采浅部煤层；先采地质条件简单，后采地质条件复杂煤层。2、分层间歇开采厚煤层分层开采，使首分层开采后，软化覆岩，“两带”高度降低。3、分阶段开采急倾斜煤层划分为小阶段沿走向开采，以减小开采空间，降低“两带”高度。4、限厚开采距水体较近，而煤层厚度或其他原因不宜分层开采时。5、充填法、部分开采六、水体下顶水开采典型案例分析山东龙口北皂煤矿海下采煤（2005）陕西彬县下沟煤矿泾河下特厚煤层综放开采(2006) 四川广旺龙泉水库下开采（1999）广东兴宁市大兴煤矿突水淹井（2006）皖北祁东煤矿首采面突水淹井（2004）