專利名稱：特厚急傾斜煤層仰式反斜開采巖層控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種特厚急傾斜煤層仰式反斜開采巖層控制方法，特別適用于煤層厚 度大于50m且煤層傾角大于45°的特厚急傾斜煤層的開采，以控制采空區(qū)巖層垮落和頂板 一側(cè)的地表沉陷。
背景技術(shù)：
開采沉陷勢(shì)必造成地表建筑物的損害。建筑物的損害程度取決于地表移動(dòng)的范圍 和移動(dòng)變形程度、變形的拉壓性質(zhì)，還與建筑物自身的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、地基狀況有關(guān)。地下采煤 對(duì)地表的影響主要有垂直方向的移動(dòng)和變形(下沉、傾斜、曲率)與水平方向的移動(dòng)和變形 (水平移動(dòng)、拉伸和壓縮)等。不同性質(zhì)的地表移動(dòng)和變形，對(duì)建筑物與構(gòu)筑物的影響也不 相同，大致可分以下幾種情況。1、地表下沉的影響一般來說，當(dāng)建筑物所處地表出現(xiàn)均勻下沉?xí)r，建筑物和構(gòu)筑物中不會(huì)產(chǎn)生附加 應(yīng)力，因而對(duì)建筑物本身不會(huì)產(chǎn)生破壞，但是主要管路的坡度會(huì)發(fā)生變化，四周的防水坡也 可能造成損壞。特別是由于地表下沉使?jié)撍幌鄬?duì)上升，造成建筑物長(zhǎng)期積水或過度潮濕 時(shí)，就會(huì)影響建筑的強(qiáng)度，以致影響建筑物的使用。2、地表傾斜的影響地表傾斜后，建筑物隨之歪斜，重心偏移，影響其穩(wěn)定性，而且承重結(jié)構(gòu)內(nèi)部將產(chǎn) 生附加應(yīng)力，基礎(chǔ)的承壓也會(huì)發(fā)生變化。特別是基礎(chǔ)底面積小而高度大的建筑物，如水塔、 煙囪、高壓線鐵塔等，對(duì)于由地表傾斜帶來的影響比較敏感，必須進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性的核 算。另外，熔鐵爐、煉焦?fàn)t、水泥窯、鍋爐房、成排房屋等對(duì)地表傾斜也是比較敏感的，也必須 檢驗(yàn)地表傾斜變形對(duì)它們工藝流程和技術(shù)安全的影響，以便保證其正常使用。3、地表曲率的影響由于曲率的出現(xiàn)，使地表產(chǎn)生凸起或凹陷的曲面，建筑物的基礎(chǔ)底面出現(xiàn)懸空狀 態(tài)，如果建筑物強(qiáng)度和剛度較小，或因地基堅(jiān)實(shí)，建筑物基礎(chǔ)不能壓入地基，則房屋將出現(xiàn) 裂縫，以致遭到破壞。房屋受到地表正曲率影響而產(chǎn)生的破壞，主要有上寬下窄的豎向裂 縫(窗臺(tái)墻、門窗過梁、墻身中部及墻身聯(lián)絡(luò)處)和倒八字形裂縫(墻腳、門窗附近的墻體 等)。有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)屋架或梁端從墻體內(nèi)或磚柱內(nèi)抽出現(xiàn)象。房屋受負(fù)曲率影響而產(chǎn)生的 破壞，主要有正八字形裂縫(門窗附近的墻體)和水平裂縫(門窗洞口上下水平處)。此 夕卜，也可能出現(xiàn)墻皮脫落，門窗變形，墻體局部擠碎，屋面中部起鼓等現(xiàn)象。建筑物愈長(zhǎng)愈高 時(shí)，受地表曲率的影響愈嚴(yán)重。4、地表水平變形的影響地表水平變形對(duì)建筑物的影響較大。地表的水平變形通過建筑物的底面和側(cè)面， 使建筑物受到附加的拉伸和壓縮應(yīng)力。由于一般建筑物抵抗拉伸變形的能力小，在較小的 拉伸變形作用下，建筑物的薄弱部位(如門窗附近)就會(huì)出現(xiàn)裂縫。建筑物抗壓強(qiáng)度較抗 拉強(qiáng)度大，地表壓縮變形較小時(shí)，建筑物一般不出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。但是，如果地表壓縮變形較大，則可能使建筑物的墻體受到擠壓而破壞。特厚急傾斜煤層是指傾角大于45°，煤層厚度大于50m的煤層。特厚急傾斜煤層 通常采用的水平分層開采方法，通過實(shí)際觀測(cè)和模擬實(shí)驗(yàn)，這種對(duì)特厚急傾斜煤層采用水 平分層開采方式有如下特點(diǎn)(1)對(duì)地面破壞程度明顯嚴(yán)重，地表非連續(xù)變形程度劇烈，范圍大，容易在煤層露 頭處及其附近形成塌陷坑或臺(tái)階裂縫，且地表發(fā)育的塌陷坑和裂縫臺(tái)階基本與水平開采工 作面走向平行。(2)開采地表下沉盆地偏向頂板一側(cè)，呈非對(duì)稱分布，頂板一側(cè)沉陷范圍大于底板 一側(cè)；頂板一側(cè)的水平移動(dòng)最大值大于底板一側(cè)；傾斜與水平移動(dòng)分布相似，但底板一側(cè) 的傾斜最大值比頂板一側(cè)大；移動(dòng)盆地兩邊拉伸變形區(qū)，中間為壓縮變形區(qū)，頂板方向拉伸 區(qū)范圍比底板方向大，最大拉伸值比底板方向大；頂板邊界角、移動(dòng)角偏小。(3)與急傾斜薄及中厚煤層開采相比，特厚急傾斜煤層水平分層開采地表最大下 沉點(diǎn)偏離采空區(qū)中心的幅度相對(duì)較小，最大下沉值主要取決于開采垂高而非煤厚。下沉盆 地頂板一側(cè)外邊緣下沉曲線收斂快，水平移動(dòng)曲線收斂慢，頂板側(cè)外邊緣以拉伸破壞為主； 頂板邊界角和移動(dòng)角接近。(4)頂板一側(cè)水平移動(dòng)的范圍大于下沉范圍(移動(dòng)盆地邊緣下沉為0的位置，水平 移動(dòng)不為0)，頂板水平移動(dòng)邊界角比頂板下沉邊界角小2 3° ；頂板一側(cè)按臨界水平變形 確定的移動(dòng)角比按臨界傾斜變形確定的移動(dòng)角小3 5°。結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)地表沉陷情況，采用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)手段，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的研 究分析，發(fā)現(xiàn)特厚急傾斜煤層水平分層開采巖層與地表移動(dòng)的特點(diǎn)和規(guī)律為(1)特厚急傾斜煤層水平分層開采巖層及地表移動(dòng)階段性明顯，實(shí)驗(yàn)過程中的淺 部開采階段和深部開采階段覆巖破壞特征、圍巖結(jié)構(gòu)迥異，地表移動(dòng)規(guī)律也顯然不同。(2)淺部開采階段，覆巖破壞范圍小，破壞范圍主要集中于采空區(qū)豎直上方，且隨 開采向深部擴(kuò)展，采空區(qū)豎直上方冒落最高點(diǎn)不斷向上攀升；采空區(qū)內(nèi)充填特征為沿傾斜 方向下部填滿、上部懸空。深部開采階段，覆巖破壞范圍顯著擴(kuò)大，采空區(qū)豎直上方垮落發(fā) 育至地表；覆巖移動(dòng)一部分沿采空區(qū)向上遷移，一部分向頂板法線方向擴(kuò)展；頂板巖層垮 落具有周期性，采深不大時(shí)，垮落周期比較長(zhǎng)；采深增大后，垮落周期縮短；頂板巖層沿層 面法向發(fā)生懸臂彎曲，同時(shí)產(chǎn)生沿層理面的滑移，底板沿剪切面滑移破壞。(3)淺部開采階段，覆巖內(nèi)為一壓力拱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)傾斜橫垮于采空區(qū)上下兩端， 上下拱腳分別位于采空區(qū)上下煤體上，兩拱腳支撐著采空區(qū)上方載荷，維持著上方覆巖的 平衡，隨開采向深部擴(kuò)展，上拱腳將不斷向上方強(qiáng)度較高的煤體轉(zhuǎn)移。深部開采階段，壓力 拱上拱腳煤體將垮落至地表，頂板巖層上端失去支撐，使得深部開采階段老頂巖層只能以 懸臂梁的形式向采空區(qū)回轉(zhuǎn)斷裂、垮落充填采空區(qū)，并在發(fā)育到一定高度后，斷裂的老頂巖 塊相互咬合，在傾斜上形成新的平衡結(jié)構(gòu)——鉸接巖梁結(jié)構(gòu)。(4)淺部開采階段，地表移動(dòng)量小、范圍窄，地表移動(dòng)主要集中于水平采空區(qū)豎直 上方。深部開采階段，地表移動(dòng)程度顯著增大，頂板方向移動(dòng)范圍顯著擴(kuò)大，地表煤層露頭 處及其附近形成塌陷坑，且隨采深增加該塌陷坑為一不斷擴(kuò)大和移動(dòng)的動(dòng)態(tài)塌陷盆地。(5)特厚急傾斜煤層水平分層多工作面開采，淺部開采階段移動(dòng)量極輕微，至深部 開采階段地表移動(dòng)有個(gè)突增的過程，隨后隨采深增加，地表移動(dòng)程度和范圍逐漸增大；頂、底板邊界角至一定采深以后將分別穩(wěn)定在某一角度；沉陷盆地中心隨采深增加向頂板方向不斷擴(kuò)展，但相對(duì)多工作面開采中心，最大下沉點(diǎn)在其對(duì)應(yīng)上方地表附近。(6)特厚急傾斜煤層水平分層開采，地表下沉盆地偏態(tài)性比較明顯，頂板方向影響 范圍大，底板方向影響范圍小，盆地中間部分沉陷量大、坡度陡，兩端沉陷量小、坡度緩；地 表水平移動(dòng)不關(guān)于水平移動(dòng)零值點(diǎn)反對(duì)稱，頂板方向水平移動(dòng)量大、范圍廣，底板方向水平 移動(dòng)量小、范圍窄。由于特厚急傾斜煤層采經(jīng)常會(huì)造成地表下沉、地表傾斜、地表產(chǎn)生凸起或凹陷的 曲面和地表水平變形，容易在煤層露頭處及其附近形成坍陷坑或臺(tái)階裂縫，并且危及地面 附近的建筑物。由于在頂板一側(cè)地表沉陷和水平變形范圍大于底板一側(cè)，對(duì)地面破壞程度 嚴(yán)重，所以對(duì)于“三下”開采來說，如何實(shí)現(xiàn)開采時(shí)巖層和地表變形的控制，特別是頂板一側(cè) 的控制，才能夠減少對(duì)地表建筑、橋梁、鐵路、水體的影響，成為特厚急傾斜煤層“三下”開采 的一個(gè)關(guān)鍵且迫切需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
通常采用的由淺向深水平分層開采，頂板一側(cè)地表受到范圍不斷向外擴(kuò)展的拉伸 大變形作用，如何控制頂板側(cè)的變形范圍，改變這種變形隨著開采水平的下移而不斷擴(kuò)展 的巖層移動(dòng)模式，引導(dǎo)沉陷變形集中于下沉盆地中央和煤層露頭發(fā)生，這是本發(fā)明的關(guān)鍵 所在。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種特厚急傾斜煤層仰式反斜開采巖層控制 方法，這種開采方法比水平分層開采可更有效地控制頂板側(cè)地表的移動(dòng)和變形，減小頂板 側(cè)的采動(dòng)損害。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)—種特厚急傾斜煤層仰式反斜開采巖層控制方法，適用于煤層厚度大于50m且煤 層傾角α大于45°的特厚急傾斜煤層，煤層開采采取從淺向深分層開采方式，分層工作面 與煤層傾向相反(反斜)，向底板一側(cè)傾斜，各分層工作面采取由底板向頂板方向開采(仰 采)的方式，控制采空區(qū)巖層從底板一側(cè)開始垮落，從而改變采空區(qū)圍巖的垮落順序和傳 播特征，控制頂板一側(cè)地表的移動(dòng)變形程度和沉陷范圍。分層工作面傾角α s指分層工作面與水平面夾角，要求α層≤ 90-α，使底煤柱形 成近法向支撐。α s越小越接近于水平開采，則不利于巖層控制，α s過大又會(huì)給回采工藝 帶來困難，比較理想的取值是α s= 10 30°，有利于控制頂板側(cè)巖層垮落、移動(dòng)范圍與程度。本發(fā)明特厚急傾斜煤層仰式反斜開采巖層控制方法，分層面向頂板傾斜，形成反 斜，通過反斜分層開采可使未采區(qū)形成楔型煤柱，改變巖層移動(dòng)的傳播方向，增大開采影響 傳播角和頂板一側(cè)移動(dòng)角。采用由底板向頂板方向開采，即仰采。通過仰式開采順序使底板 一側(cè)的巖層先行垮落、上部采空區(qū)巖石充分充填采動(dòng)空間，從而抑制頂板巖層的法向破斷。 兩者的結(jié)合改變了采空區(qū)圍巖的垮落順序和傳播特征，引導(dǎo)開采沉陷集中于急傾斜露頭和 底板一側(cè)，以降低頂板一側(cè)地表的移動(dòng)變形程度，減小頂板一側(cè)地表的移動(dòng)范圍，有利于控 制頂板巖層垮落、移動(dòng)范圍和變形程度，有利于保護(hù)靠近頂板一側(cè)地表建筑、橋梁、鐵路、水 體等。


圖1為特厚急傾斜煤層仰式反斜開采方法示意圖，其中α-煤層傾角；α s-仰式反斜分層工作面與水平面的夾角；β〒-水平分層開采頂板側(cè)移動(dòng)角；β & -仰式反斜分層開采頂板側(cè)移動(dòng)角；Y-底板側(cè)移動(dòng)角。圖2為窯街三礦采用仰式反斜分層開采與水平分層開采后的地表移動(dòng)變形曲線 比較圖，其中圖2a為地表下沉對(duì)比圖，圖2b為地表傾斜對(duì)比圖，圖2c為地表水平移動(dòng)對(duì)比 圖，圖2d為地表水平變形對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。實(shí)施例1如說明書附圖1所示，本發(fā)明一種特厚急傾斜煤層仰式反斜開采巖層控制方法， 適用于煤層厚度大于50m且煤層傾角α大于45°的特厚急傾斜煤層。煤層開采采取從淺 向深分層開采方式，即從上到下逐層開采，分層工作面傾向底板，即與煤層傾斜方向相反， 以控制頂板懸露面積。在每一分層工作面開采方向如箭頭所示，均為由底板向頂板方向開 采，控制采空區(qū)巖層從底板一側(cè)先行垮落，而開采到達(dá)頂板一側(cè)時(shí)，由于逐漸由底板一側(cè)垮 落的巖層等對(duì)采空區(qū)的充填，使得頂板巖層垮落的垂高和水平距離均減少，減少頂板側(cè)地 表沉陷和水平變形的影響范圍和變化量。分層工作面與水平面夾角α層一般取10 30°。由圖1所示，與水平開采相比，仰式反斜分層開采頂板側(cè)移動(dòng)角β &大于水平分層 開采頂板側(cè)移動(dòng)角β〒，對(duì)應(yīng)地在地表處，與水平分層開采影響邊界相比，仰式反斜分層開 采影響邊界向塌落中心區(qū)移動(dòng)，減少頂板側(cè)地表沉陷和水平變形的影響范圍和變化量。附圖2為窯街三礦采用仰式反斜分層開采與水平分層開采后的地表移動(dòng)變形曲 線比較圖。窯街煤電公司三礦皮帶斜井井田，位于窯街煤田的中部，礦區(qū)深大基底主干斷 裂構(gòu)造F19斷層的西側(cè)、大通河?xùn)|岸。井田西北部為大通河?xùn)|岸的大通河I、II、III級(jí)階 地，大通河自北向南從井田西側(cè)流過，在享堂峽口外注入湟水河。地面海拔標(biāo)高為1800 1840m，井田東南部為剝蝕的中低山和黃土沖溝地貌，海拔標(biāo)高為1840 2500m。窯街礦 區(qū)是我國(guó)特厚急傾斜煤層分布比較集中的礦區(qū)，其中的窯街三礦的礦井急傾斜煤層厚度達(dá) 20 120m，煤層傾角變化大，在淺部平緩，深部陡峻，煤層傾角基本上都超過45°。通過利用發(fā)明人開發(fā)的“急傾斜煤層開采沉陷預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)”模擬計(jì)算，由圖2a 可以看出，仰式反斜分層開采的地表下沉的最大值比水平分層開采的地表下沉的最大值 小，并且下沉范圍向底板方向偏移。由圖2b可以看出，仰式反斜分層開采的地表傾斜的最大值比水平分層開采的地 表傾斜的最大值小，并且傾斜范圍向底板方向偏移。由圖2c可以看出，仰式反斜分層開采的地表水平移動(dòng)的最大值比水平分層開采的地表水平移動(dòng)的最大值小，并且水平移動(dòng)范圍向底板方向偏移。由圖2d可以看出，仰式反斜分層開采的地表水平變形的最大值比水平分層開采 的地表水平移動(dòng)的最大值小，并且水平變形的變化范圍向底板方向偏移?？傊啾扔谒椒謱娱_采，仰式反斜分層開采地表移動(dòng)變形值相對(duì)偏小，沉陷范 圍向底板方向偏移。由此可見，在一定的開采垂高范圍內(nèi)，仰式反斜分層開采比水平分層開 采更能夠控制地表移動(dòng)變形，減小頂板側(cè)的采動(dòng)損壞，有利于減小地面建筑的采動(dòng)損壞。
權(quán)利要求
一種特厚急傾斜煤層仰式反斜開采巖層控制方法，適用于煤層厚度大于50m且煤層傾角大于45°的特厚急傾斜煤層，其特征在于煤層開采采取從淺向深分層開采方式，分層工作面向底板一側(cè)傾斜，每層開采方向均為由底板向頂板方向開采，從而改變采空區(qū)圍巖的垮落順序和傳播特征，控制頂板一側(cè)地表的移動(dòng)變形程度和沉陷范圍。
2.如權(quán)利要求1所述的開采巖層控制方法，其特征在于所述分層工作面傾角a層為 10° 30° 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種特厚急傾斜煤層仰式反斜開采巖層控制方法，適用于煤層厚度大于50m且煤層傾角大于45°的特厚急傾斜煤層，煤層開采采取從淺向深分層開采方式，分層工作面向底板一側(cè)傾斜，由底板向頂板方向回采。與水平分層開采相比，通過反斜分層開采可使未采區(qū)形成楔型煤柱，改變巖層移動(dòng)的傳播方向，增大開采影響傳播角和頂板一側(cè)移動(dòng)角；通過仰式開采順序使底板一側(cè)的巖層先行垮落、上部采空區(qū)巖石充分充填采動(dòng)空間，從而抑制頂板巖層的法向破斷。兩者的結(jié)合改變了采空區(qū)圍巖的垮落順序和傳播特征，引導(dǎo)開采沉陷集中于急傾斜露頭和底板一側(cè)，以降低頂板一側(cè)地表的移動(dòng)變形程度，減小頂板一側(cè)地表的移動(dòng)范圍。
文檔編號(hào)E21C41/16GK101832138SQ201010134130
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月29日
發(fā)明者上官科峰, 戴華陽, 易四海, 王更雨, 田靖安, 閻躍觀 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京);窯街煤電集團(tuán)有限公司