殘采區(qū)上行開采基礎(chǔ)理論及應(yīng)用

1、殘采區(qū)上行開采基礎(chǔ)理論及應(yīng)用    我國(guó)對(duì)煤炭需求增長(zhǎng)的無限性與資源的有限性這一矛盾日趨突出,而新生替代能源目前還不能取代煤炭的主體能源地位。因此必須節(jié)約煤炭資源,提高資源回收率。現(xiàn)有生產(chǎn)礦區(qū)(井)中,很多采空區(qū)上方遺棄有大面積的可采煤層。科學(xué)合理的回收這部分煤層對(duì)于建設(shè)節(jié)約型社會(huì)和促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有著十分重要的意義。回收采空區(qū)上方遺棄煤層實(shí)質(zhì)上是殘采區(qū)上行開采。通常煤層開采在頂板巖層中形成的破壞擾動(dòng)區(qū)遠(yuǎn)大于在底板巖層中形成的破壞擾動(dòng)區(qū),因此,為減小本煤層開采對(duì)臨近煤層的擾動(dòng),生產(chǎn)實(shí)際中幾乎全部采用下行開采方式,與此相應(yīng)人們所開展的理論技術(shù)研究也多

2、針對(duì)下行開采領(lǐng)域。僅有的上行開采的相關(guān)研究,也多集中在以層間距為核心的僅考慮下部煤層開采影響的經(jīng)驗(yàn)的可行性判定方法、礦壓觀測(cè)分析等方面,而事實(shí)上上行開采的核心問題是上、下煤層開采共同影響作用下上部煤層底板的移動(dòng)變形規(guī)律,其移動(dòng)變形規(guī)律又取決于層間巖層結(jié)構(gòu)。因此,進(jìn)行殘采區(qū)上行開采層間巖層結(jié)構(gòu)及其上部煤層底板移動(dòng)變形規(guī)律的研究,才能深入奠定殘采區(qū)上行開采的理論基礎(chǔ),對(duì)于進(jìn)一步促進(jìn)上行開采技術(shù)的發(fā)展和高效回收歷史棄采煤層,有著重要的理論意義與指導(dǎo)價(jià)值。本文從殘采區(qū)上行開采層間巖層結(jié)構(gòu)及其上部煤層底板移動(dòng)變形規(guī)律入手,通過實(shí)驗(yàn)研究、理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以及工業(yè)試驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)殘采區(qū)上行開

3、采的層間巖層結(jié)構(gòu)、可行性判定理論及方法、上部煤層底板移動(dòng)變形規(guī)律和殘采區(qū)上行開采礦壓控制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。主要研究?jī)?nèi)容及成果如下:(1)針對(duì)殘采區(qū)上行開采,分垮落法殘采區(qū)和刀柱式殘采區(qū)上行開采兩種情況,通過相似模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了層間巖層結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律、圍巖應(yīng)力分布規(guī)律和層間巖層移動(dòng)變形規(guī)律的研究。研究發(fā)現(xiàn):殘采區(qū)上行開采層間巖層存在控制層,其中垮落法殘采區(qū)上行開采層間巖層破斷后由于剪脹效應(yīng)其破斷塊體之間排列整齊、相互擠壓形成塊體梁半拱結(jié)構(gòu),其半拱部分位于采空區(qū)上方四周,為面面接觸的塊體擠壓結(jié)構(gòu),其軸線(即力的傳遞作用線)為一曲線;該結(jié)構(gòu)的塊體梁部分即采空區(qū)上方中部斷裂塊體相互擠壓形成的雖有裂隙

4、卻不失整體性的類梁結(jié)構(gòu)。其上方巖層保持較好的完整性和宏觀連續(xù)性,呈現(xiàn)典型的梁、板結(jié)構(gòu)。就下沉移動(dòng)量而言,同一巖層中下沉移動(dòng)量最大的點(diǎn)位于下部采空區(qū)中心附近上方,其兩側(cè)點(diǎn)位的下沉量隨著偏離中心距離的增大而減小。其破斷冒落巖層最終形成典型的“變形盆地”,而上方未冒落巖層的下沉曲線會(huì)形成局部盆地的波浪狀。層間巖層的下位堅(jiān)硬巖層易成為層間巖層的控制層。對(duì)于刀柱式殘采區(qū)上行開采,煤柱承擔(dān)上部巖層載荷出現(xiàn)不均衡性“強(qiáng)柱弱載”和“強(qiáng)載弱柱”,即承載能力弱的煤柱承受巖梁載荷強(qiáng),而承載能力強(qiáng)的煤柱承受巖梁載荷弱,巖層破斷的原因是弱煤柱先壓縮變形剪破壞,而強(qiáng)柱端的巖梁產(chǎn)生拉破壞,巖梁斷裂垮冒,最終形成冒落帶,上方

5、未斷裂的巖層基本沒有裂隙的產(chǎn)生,保持原完整連續(xù)的狀態(tài),其作為層間巖層控制層,呈現(xiàn)典型的梁、板結(jié)構(gòu)。(2)在相似模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合巖石力學(xué)、塊體理論、彈塑性力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等理論,分析并獲得了下部煤層開采對(duì)層間巖層的損傷影響范圍,分別建立了垮落法殘采區(qū)和刀柱式殘采區(qū)上行開采層間巖層結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型,并分別進(jìn)行了詳細(xì)的力學(xué)解析,分析了垮落法殘采區(qū)上行開采和刀柱式殘采區(qū)上行開采的機(jī)理,同時(shí)用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了驗(yàn)證。(3)針對(duì)殘采區(qū)上行開采的層間巖層,通過理論推演的方法研究了上部煤層開采的采動(dòng)及其擴(kuò)散影響,分析了垮落法殘采區(qū)和刀柱式殘采區(qū)上行開采層間巖層的穩(wěn)定性,進(jìn)而基于結(jié)構(gòu)的理論分別提出了垮落法殘

6、采區(qū)和刀柱式殘采區(qū)上行開采的可行性定量判定方法,并通過現(xiàn)場(chǎng)試用,對(duì)該理論及技術(shù)的科學(xué)合理性與客觀適用性進(jìn)行了驗(yàn)證。(4)通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法,對(duì)殘采區(qū)上行開采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:殘采區(qū)上行開采由于受下部煤層開采的損傷影響,上部煤層圍巖整體性會(huì)有不同程度的弱化,在上部煤層開采前已把上覆巖層的自重及其載荷部分傳遞給采空區(qū)范圍以外的煤巖體,起到了卸壓的作用,殘采區(qū)上行開采的礦壓顯現(xiàn)不劇烈,周期來壓步距不大。同時(shí),引入概率積分法,對(duì)殘采區(qū)上行開采上部煤層底板移動(dòng)變形情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析,與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行了比較分析對(duì)照,研究了殘采區(qū)上行開采上部煤層底板移動(dòng)變形規(guī)律。(5)用數(shù)值模擬和理論

7、分析相結(jié)合的方法,分析了殘采區(qū)上行開采上部煤層底板移動(dòng)變形的力學(xué)特性,在此基礎(chǔ)上分別建立了垮落法殘采區(qū)和刀柱式殘采區(qū)上行開采上煤底板巖層運(yùn)移的力學(xué)模型,通過力學(xué)求解,獲得了垮落法殘采區(qū)和刀柱式殘采區(qū)上行開采上煤底板巖層運(yùn)移規(guī)律的預(yù)測(cè)模型。(6)在上述理論研究、實(shí)驗(yàn)研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究的基礎(chǔ)上,形成了殘采區(qū)上行開采的理論與技術(shù),在山西焦煤西山煤電集團(tuán)白家莊煤礦進(jìn)行了試驗(yàn)及工業(yè)實(shí)施,成功解決了白家莊煤礦8號(hào)煤層采空區(qū)上方6號(hào)煤層回收的技術(shù)難題,取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境、社會(huì)效益。該技術(shù)在理論上是科學(xué)的、技術(shù)上是可行的。為殘采區(qū)上行開采提供了理論指導(dǎo)與技術(shù)支持。同主題文章1. 

8、0;  汪理全    ,蔡鴻坡. 城子河煤礦上行開采的研究' J. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 1988.(04)    2.    韓萬林,汪理全,周勁鋒. 平頂山四礦上行開采的觀測(cè)與研究' J. 煤炭學(xué)報(bào). 1998.(03)    3.    李澤友. 緩傾斜近距離薄煤層上行開采可能性的探討' J. 煤炭工程. 1990.(04)  &

9、#160; 4.    雷明輝    ,宋振騏. 緩傾斜煤層群上行開采的研究' J. 礦業(yè)安全與環(huán)保. 1992.(02)    5.    王文聰. 通過上行開采的實(shí)踐略論其可行性及優(yōu)越性' J. 有色礦冶. 1992.(05)    6.    謝海峰. 柳海礦井上行開采可行性探討' J. 山東煤炭科技. 1996.(0

10、2)    7.    聞敢年,柳現(xiàn)坤,權(quán)景偉. 龐莊煤礦張小樓井深部上行開采可行性分析' J. 煤炭科技. 2003.(01)    8.    方安爐. 兩淮部分礦井上行開采的合理性淺析' J. 煤礦設(shè)計(jì). 1995.(02)    9.    雷明輝. 緩傾斜煤層群上行開采程序設(shè)計(jì)' J. 礦業(yè)安全與環(huán)保. 1993.(01)    10.    王建強(qiáng),李晉平,王遷,郭民儉. 殘采區(qū)綜放開采回采巷道布置與