・３０・ 露天采矿技术 ２０１３年第３期 上覆岩层冒落带和裂隙带高度的确定 王春光１，２ （１．煤炭科学研究总院沈阳研究院，辽宁抚顺１１３１２２；２．煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺１１３１２２） 摘要：通过观测枣庄、淮南、开滦、峰峰、大屯、大同等矿区，开展了覆岩破坏特征的研究，得出了煤层覆 岩的破坏范围形态，以及冒落带和裂隙带高度的计算公式，准确确定冒落带和裂隙带范围，为煤层开采、顶板 管理奠定基础。 关键词：冒落带；裂隙带；采动影响 中图分类号：ＴＤ ３２５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７１—９８１６（２０１３）０３—００３０—０４ Ｄｅ￣ｒｍｉｎａｆｉｏｎ ｏｆ ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ ｓｔｒａｔａ ｃａｖｉｎｇ ｚｏｎｅ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ｚｏｎｅ ｈｅｉｇｈｔ ＷＡＮＧ Ｃｈｕｎ－ｇｕａｎｇ’・ 《１．Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｂｒａｎｃｈ ｏｆＣ０ａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ。Ｆｕｓｈｕｎ １１３１２２，Ｃｈｉｎａ，． ２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏａｌ ｌｔ￣ｎｅ ｓｏｆ￣ｔｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｆｕｓｈｕｎ １１３１２２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ａｒｅａ ｓｕｃｈ ａｓ Ｚａｏｚｈｕａｎｇ，Ｈｕａｉｎａｎ，Ｋａｉｌｕａｎ，Ｆｅｎｇｆｅｎｇ，Ｄａｔｕｎ，Ｄａｔｏｎｇ，ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ ｓｔｒａｔａ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ，ｔｈｅ ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｆｏｒｍ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｃａｖｉｎｇ ｚｏｎｅ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ｚｏｎｅ ｈｅｉｇｈｔ ｆｏｒｍｕｌａ，ａｃｃｕｒａｔｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｖｉｎｇ ｚｏｎｅ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ｚｏｎｅ，ｌａｙ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ，ｒｏｏｆ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｖｉｎｇ ｚｏｎｅ；ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ｚｏｎｅ；ｍｉｎｉｎｇ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ 随着煤炭工业的快速发展，煤矿开采深度的增 立起多种观测覆岩破坏范围方法。 加和强度的增大，煤层地应力相应增大，顶板管理难 通过观测和模拟研究形成了以上覆岩层移动为 度增加，裂隙带和冒落带高度的确定是顶板管理的 中心的传递岩梁矿压学说和上覆岩层铰连接的砌体 先决条件，并且对矿井的安全生产、采掘布置和经济 梁矿压学说。也就是说，采场上覆岩层破坏变形在空 投入有重要意义，本文统计多个矿井的实际开采情 间上形成“三带”：冒落带、裂隙带和整体弯曲带。这 况，冒落带和裂隙带高度，得出经验公式，计算冒落 个理论为我们解决有效抽采采动影响煤层瓦斯提供 带和裂隙带高度，对煤矿开采和顶板管理以及煤层 了理论基础和依据。 气抽采具有指导意义。 在正常的开采过程中，采动影响对周围的煤岩 １概述 体具有不同程度的破坏影响，破坏程度由采场向四 周扩展，最终形成“顶三带”、“侧三带”和“底三 采场采动影响，指的是回采引起的围岩活动现 带”。而“侧三带”和“底三带”对采场卸压范围大 象及其造成的种种损害的总称，它是矿山岩体力学 小，影响范围相对较小。故本文只对“顶三带”的变化 的一个主要组成部分，是岩层（岩体）和地表的应力 特点进行研究，“顶三带”一般分为冒落带、裂隙带和 变化、岩层（岩体）和地表的整体移动、岩层（岩体）和 弯曲带或整体移动带，如图１所示。 地表的开裂冒落性破坏。早在２０世纪５０年代世界 ２上覆岩层破坏变化规律 各国科技工作者对采动覆岩破坏规律进行研究，建 收稿日期：２０１３一Ｏ１—１１ 为掌握上覆岩层破坏规律，对全国部分典型矿 作者简介：王春光（１９７８一），男，河北承德人，硕士研究生 井开采期间上覆煤岩层卸压范围考察，统计了４５个 学历，国家注册安全工程师，国家二级安全评价师，２００３年安 煤矿采用钻孔外部流量法、钻孔内部流速法、钻孔自 徽理工大学安全工程专业本科毕业，２０１１年煤炭科学研究总 动摄影法、井下钻孔内外部流量法对覆岩破坏状况 院安全技术及工程专业研究生毕业，现就职于煤炭科学研究 进行了现场测定。 总院沈阳研究院，从事安全工作。 通过４５个煤矿现场观测，得出了煤层覆岩的破 露天采矿技术 ２０１３年第３期 ・３１・ １６；软弱岩层为９～１２；风化软弱岩层为７—９。 ３ 上覆煤岩层破坏范围分析计算 由于矿井岩层是一种非均质的物质，成分不均， 结构复杂，加之受地质构造破坏程度不同，物理力学 性质差异很大。寻求计算采煤引起的覆岩破坏性影 响高度的科学计算方法，是一个尚未解决的重要课 题。从实际需要出发，主要是通过大量的现场实测资 Ｉ一冒落带；ＩＩ一裂隙带；Ⅲ一弯曲带或整体移动带 图１覆岩层破坏性影响特征 料（见表３），采用数理统计中的相关分析方法进行 坏范围形态，研究发现冒落带、裂隙带有以下规律： 整理、分析，回归出计算煤层开采时覆岩破坏最大高 １）上覆煤层的卸压程度同覆岩岩性、采厚、层间 度经验公式。 位置有关系，从岩性来看，岩石俞坚硬，冒落高度和 ３．１矿井覆煤岩层破坏高度实测结果 裂隙高度俞大；反之，俞小。从分层层数看，冒高采厚 １）柴里煤矿冒裂带高度实测结果。柴里煤矿试 比、裂高采厚比与分层层数成递减关系。 采区覆岩破坏状况的观测是采用地面钻孔流量法进 ２）冒落带、裂隙带最大高度，在采空区边界部分 行的，首先在较深部的３０１工作面，然后又在浅部近 大于采空区中央部分，在采空区边界部分比采空区 松散煤层的３０４、３１１西、３１１东等工作面进行了观 中央部分约大累计采厚的１￣３倍。但在分层开采的 测，观测结果见表３和表４。 情况下，随着分层层数的增加，边界部分同中央部分 表３柴里煤矿中硬覆岩冒裂带高度实测结果 的这种差距逐渐缩小。（见表１）。 表ｌ柴里煤矿１ ４分层冒高裂高采厚比实测值 ３）冒落带的高度小于裂隙带的高度，在缓倾斜 煤层初次采动时，冒落带和裂隙带总高度中，冒落带 的高度为１６ ２４％，裂隙带的高度为７６—８４％。开 采急倾斜煤层时，冒落带的高度占４０～５０％，裂隙 带的高度占５０～６０％。重复采动时，随着分层层数 表４柴里煤矿软弱覆岩冒裂带高度实测结果 的增加，不论是开采缓倾斜煤层，或是开采急倾斜煤 层，在冒落带和裂隙带的总高度中冒落带高度所占 的比例越来越大，裂隙带高度所占的比例越来越少 （表２）。 表２ 冒落带和裂隙带高度占其总高度的百分比 ％ ２）邢台煤矿冒裂带高度实测结果。邢台煤矿 ７３０３工作面开采７ 煤层，煤厚６．４９ ｍ，倾角６～８。， 工作面倾斜长为１１０—１７０ ｍ，走向长为４６０ ｍ。采用 井下专门巷道与钻孔相结合的观测方法以及工作面 ４）根据总结我国１３０多个工作面的覆岩破坏情 直接观测法。观测巷道位于工作面回风上面的顶板 况分析，得出了不同覆岩类型开采煤层裂隙带高度 岩层内，巷道迎头底板至工作面回风巷顶的垂直距 与采厚比：坚硬岩层为ｌ８—２８；中坚硬岩层为１２～ 离为２８ ｍ，观测结果见表５。 ・３２・ 露天采矿技术 ２０１３年第３期臣耍固 表５ 邢台煤矿７３０３工作面覆岩冒裂带高度实测结果 ３）梅河矿一井冒裂带高度实测结果。梅河矿区 煤系地层属老第三系。主要开采１２号煤层，煤厚５ ～２０ ｍ，倾角２５—３５。，采用垮落法管理顶板，开采８个 分层，累计采厚达１６ ｍ。在开采过程中，分别在２１０２ 采区进行了钻孔观测。２１０２采区位于井田西翼第一 个采区，其余均位于井田东翼。在２１０２采区观测了 ６个钻孔，测定１分层煤层覆岩破坏状况（表６）。 表６梅河煤矿一并覆岩冒裂带高度实测结果 ４）其它矿井冒裂带高度观测结果。为能更准确 地回归出冒裂带高度与开采高度之间的关系，又对 一些矿井进行统计个观测，采用井下钻孔流量法，主 要是在开采工作面邻近巷道适当的位置布置钻场， 向开采煤层顶板岩层打不同层位钻孔，通过钻孔所 测定流量变化大小，确定冒裂带高度。当测试钻孔抽 气流量较小时，可判断钻孔在非卸压区内，当钻孔流 量逐步增大时，确定处在裂隙带内，当钻孔流量较 大，则钻孔处在冒落带内。测定结果见表７。 ３．２ 冒落带破坏高度计算式 １）冒落带破坏最大高度的表达式。煤层开采时， 其上部的煤岩层开始逐步冒落，并形成松散堆积（与 冒落岩块的碎胀系数有关），冒落带的最大高度与采 厚成线性函数关系，同时也受岩石碎胀系数的影响， 当冒落岩块的体积等于开采空间和已冒落岩层本身 空间之和时，开采空间全部消失，上覆未冒落的煤岩 层受到冒落岩块的支承，冒落过程停止。上述冒落过 程可以表示为： ＋Ｈ冒＝ＫＨ冒 或 冒＝ 表７ 冒裂带高度观测结果 式中：日冒一采空区冒落最大高度，ｍ； 一煤层开采累计厚度，ｍ； ～冒落岩块的碎胀系数。 ２）冒落带破坏最大高度经验计算式。根据邢台 矿、枣庄柴里矿、辽源梅河矿等矿井钻孑Ｌ观测实测 值，采用最小二乘法分别求出坚硬、中硬、软弱、风化 软弱４种类型覆岩最大冒落带高度计算经验公式： 坚硬岩层：Ｈ冒＝ ±２．５ ‘・１厶 １￣手１ Ｔ １ Ｕ中硬岩层：Ｈ冒＝ ±２．２ 软弱岩层：Ｈ冒＝ ±１．５ 风化软弱岩层：Ｈ冒＝ 手 ±１．２ ３．３裂隙带破坏高度计算 １）裂隙带最大高度的表达式。根据现场实测结 果分析，裂隙带高度累计开采厚度近似分式函数关 系式： ｒｔ Ｍ 裂 了 式中：Ｈ裂一冒落最大高度，ｍ； 一煤层开采累计厚度，ｍ； ｔｔ－，６一与覆岩性质有关的系数。 ２）裂隙带破坏最大高度经验计算式。根据本溪 新邱矿、邢台矿、枣庄柴里矿、辽源梅河矿、新汶黄县 矿、淮北张庄矿、肥城杨庄矿２００个钻孑Ｌ观测实测 值，采用最小二乘法分别求出坚硬、中硬、软弱、风化 软弱４种类型覆岩最大裂隙带高度计算经验公式： （下转第３５页） 露天采矿技术 ２０１３年第３期 ．３５． １、具有卡车机动灵活的优点； 一 ３、运营费用比一方案少３ ８３４．Ｏ０万元。 ■推荐 备更新时间、剥采比增加、运距增加、采掘工作面条 件、开拓运输系统及投资条件等因素，其分析见表４。 ４．２结论 排土机半连续系统。 参考文献： ［１］现代露天煤矿标通设计体系研究报告，２０００． ［２］新疆永煤沙尔湖煤业有限公司沙尔湖矿区一号露天煤矿 可行性研究报告［Ｒ］．中煤国际工程集团沈阳设计研究 院，２０１２． ・ｏ●・：：＞●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●・：：＞●０●＜＞●０●＜＞●＜＞●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ・ｏ●＜＞●＜＞● 通过以上分析，本文推荐本矿生产第７年开始 投人第一套单斗一可移一胶带一排土机半连续系 统，生产第ｌ０年初投入第二套单斗一可移一胶带一 ｏ●・：＞●ｏ●・ ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●・Ｃ＞●・：＞●ｏ●ｏ●・：＇●ｏ（上接第３２页） 得出 价米动影啊煤层处征剖Ｊ雎影Ⅱ【口ｊ池围明判 带和裂隙带高度，得出了开采层冒落带、裂隙带最大 高度计算经验公式，为解决瓦斯抽采工艺的合理设置 提供条件，解决抽放效果不好和抽放效率过低的问题。 参考文献： ［１］徐乃忠，张玉卓．采动离层充填减沉理论与实践．煤炭工 业出版社。２００１． 识条件和卸压影响范围计算方法，不同覆岩类型开 采煤层裂隙带高度经验计算公式为： 坚硬岩层： 裂＝ １・‘厶』ｒＪ Ｔ‘・ｕ ±８．９ 中硬岩层：日裂： 软弱岩层：Ⅳ裂＝ ±５．６ ±４．ｏ ［２］煤炭科学研究总院开采所．煤矿地表移动与覆岩破坏规 律及其应用．煤炭工业出版社，１９８１． ［３］中国矿业学院．煤矿岩石层与地表移动．煤炭工业出版 社，１９８１． 风化软弱岩层：日裂＝ ４小结 ±３．ｏ ［４］刘宝琛，廖国华．煤矿地表移动的基本规律．煤炭工业出 版社，１９６５． ［５］于不凡，王佑安等．煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册． 煤炭工业出版社，２００５． 通过对开采层上覆岩层采动影响变化规律和影 响因素的研究，通过实际测量得出采动影响煤层冒落 ［６］煤炭科学研究总院沈阳研究院．全国煤矿地面钻孔抽采 瓦斯调研报告内部资料，２００７．