专利名称：特厚急倾斜煤层仰式反斜开采岩层控制方法
技术领域：
本发明涉及一种特厚急倾斜煤层仰式反斜开采岩层控制方法，特别适用于煤层厚 度大于50m且煤层倾角大于45°的特厚急倾斜煤层的开采，以控制采空区岩层垮落和顶板 一侧的地表沉陷。
背景技术：
开采沉陷势必造成地表建筑物的损害。建筑物的损害程度取决于地表移动的范围 和移动变形程度、变形的拉压性质，还与建筑物自身的结构、质量、地基状况有关。地下采煤 对地表的影响主要有垂直方向的移动和变形(下沉、倾斜、曲率)与水平方向的移动和变形 (水平移动、拉伸和压缩)等。不同性质的地表移动和变形，对建筑物与构筑物的影响也不 相同，大致可分以下几种情况。1、地表下沉的影响一般来说，当建筑物所处地表出现均勻下沉时，建筑物和构筑物中不会产生附加 应力，因而对建筑物本身不会产生破坏，但是主要管路的坡度会发生变化，四周的防水坡也 可能造成损坏。特别是由于地表下沉使潜水位相对上升，造成建筑物长期积水或过度潮湿 时，就会影响建筑的强度，以致影响建筑物的使用。2、地表倾斜的影响地表倾斜后，建筑物随之歪斜，重心偏移，影响其稳定性，而且承重结构内部将产 生附加应力，基础的承压也会发生变化。特别是基础底面积小而高度大的建筑物，如水塔、 烟囱、高压线铁塔等，对于由地表倾斜带来的影响比较敏感，必须进行强度和稳定性的核 算。另外，熔铁炉、炼焦炉、水泥窑、锅炉房、成排房屋等对地表倾斜也是比较敏感的，也必须 检验地表倾斜变形对它们工艺流程和技术安全的影响，以便保证其正常使用。3、地表曲率的影响由于曲率的出现，使地表产生凸起或凹陷的曲面，建筑物的基础底面出现悬空状 态，如果建筑物强度和刚度较小，或因地基坚实，建筑物基础不能压入地基，则房屋将出现 裂缝，以致遭到破坏。房屋受到地表正曲率影响而产生的破坏，主要有上宽下窄的竖向裂 缝(窗台墙、门窗过梁、墙身中部及墙身联络处)和倒八字形裂缝(墙脚、门窗附近的墙体 等)。有时也会出现屋架或梁端从墙体内或砖柱内抽出现象。房屋受负曲率影响而产生的 破坏，主要有正八字形裂缝(门窗附近的墙体)和水平裂缝(门窗洞口上下水平处)。此 夕卜，也可能出现墙皮脱落，门窗变形，墙体局部挤碎，屋面中部起鼓等现象。建筑物愈长愈高 时，受地表曲率的影响愈严重。4、地表水平变形的影响地表水平变形对建筑物的影响较大。地表的水平变形通过建筑物的底面和侧面， 使建筑物受到附加的拉伸和压缩应力。由于一般建筑物抵抗拉伸变形的能力小，在较小的 拉伸变形作用下，建筑物的薄弱部位(如门窗附近)就会出现裂缝。建筑物抗压强度较抗 拉强度大，地表压缩变形较小时，建筑物一般不出现破坏现象。但是，如果地表压缩变形较大，则可能使建筑物的墙体受到挤压而破坏。特厚急倾斜煤层是指倾角大于45°，煤层厚度大于50m的煤层。特厚急倾斜煤层 通常采用的水平分层开采方法，通过实际观测和模拟实验，这种对特厚急倾斜煤层采用水 平分层开采方式有如下特点(1)对地面破坏程度明显严重，地表非连续变形程度剧烈，范围大，容易在煤层露 头处及其附近形成塌陷坑或台阶裂缝，且地表发育的塌陷坑和裂缝台阶基本与水平开采工 作面走向平行。(2)开采地表下沉盆地偏向顶板一侧，呈非对称分布，顶板一侧沉陷范围大于底板 一侧；顶板一侧的水平移动最大值大于底板一侧；倾斜与水平移动分布相似，但底板一侧 的倾斜最大值比顶板一侧大；移动盆地两边拉伸变形区，中间为压缩变形区，顶板方向拉伸 区范围比底板方向大，最大拉伸值比底板方向大；顶板边界角、移动角偏小。(3)与急倾斜薄及中厚煤层开采相比，特厚急倾斜煤层水平分层开采地表最大下 沉点偏离采空区中心的幅度相对较小，最大下沉值主要取决于开采垂高而非煤厚。下沉盆 地顶板一侧外边缘下沉曲线收敛快，水平移动曲线收敛慢，顶板侧外边缘以拉伸破坏为主； 顶板边界角和移动角接近。(4)顶板一侧水平移动的范围大于下沉范围(移动盆地边缘下沉为0的位置，水平 移动不为0)，顶板水平移动边界角比顶板下沉边界角小2 3° ；顶板一侧按临界水平变形 确定的移动角比按临界倾斜变形确定的移动角小3 5°。结合实际现场地表沉陷情况，采用相似材料模拟实验手段，通过对实验结果的研 究分析，发现特厚急倾斜煤层水平分层开采岩层与地表移动的特点和规律为(1)特厚急倾斜煤层水平分层开采岩层及地表移动阶段性明显，实验过程中的浅 部开采阶段和深部开采阶段覆岩破坏特征、围岩结构迥异，地表移动规律也显然不同。(2)浅部开采阶段，覆岩破坏范围小，破坏范围主要集中于采空区竖直上方，且随 开采向深部扩展，采空区竖直上方冒落最高点不断向上攀升；采空区内充填特征为沿倾斜 方向下部填满、上部悬空。深部开采阶段，覆岩破坏范围显著扩大，采空区竖直上方垮落发 育至地表；覆岩移动一部分沿采空区向上迁移，一部分向顶板法线方向扩展；顶板岩层垮 落具有周期性，采深不大时，垮落周期比较长；采深增大后，垮落周期缩短；顶板岩层沿层 面法向发生悬臂弯曲，同时产生沿层理面的滑移，底板沿剪切面滑移破坏。(3)浅部开采阶段，覆岩内为一压力拱结构，该结构倾斜横垮于采空区上下两端， 上下拱脚分别位于采空区上下煤体上，两拱脚支撑着采空区上方载荷，维持着上方覆岩的 平衡，随开采向深部扩展，上拱脚将不断向上方强度较高的煤体转移。深部开采阶段，压力 拱上拱脚煤体将垮落至地表，顶板岩层上端失去支撑，使得深部开采阶段老顶岩层只能以 悬臂梁的形式向采空区回转断裂、垮落充填采空区，并在发育到一定高度后，断裂的老顶岩 块相互咬合，在倾斜上形成新的平衡结构——铰接岩梁结构。(4)浅部开采阶段，地表移动量小、范围窄，地表移动主要集中于水平采空区竖直 上方。深部开采阶段，地表移动程度显著增大，顶板方向移动范围显著扩大，地表煤层露头 处及其附近形成塌陷坑，且随采深增加该塌陷坑为一不断扩大和移动的动态塌陷盆地。(5)特厚急倾斜煤层水平分层多工作面开采，浅部开采阶段移动量极轻微，至深部 开采阶段地表移动有个突增的过程，随后随采深增加，地表移动程度和范围逐渐增大；顶、底板边界角至一定采深以后将分别稳定在某一角度；沉陷盆地中心随采深增加向顶板方向不断扩展，但相对多工作面开采中心，最大下沉点在其对应上方地表附近。(6)特厚急倾斜煤层水平分层开采，地表下沉盆地偏态性比较明显，顶板方向影响 范围大，底板方向影响范围小，盆地中间部分沉陷量大、坡度陡，两端沉陷量小、坡度缓；地 表水平移动不关于水平移动零值点反对称，顶板方向水平移动量大、范围广，底板方向水平 移动量小、范围窄。由于特厚急倾斜煤层采经常会造成地表下沉、地表倾斜、地表产生凸起或凹陷的 曲面和地表水平变形，容易在煤层露头处及其附近形成坍陷坑或台阶裂缝，并且危及地面 附近的建筑物。由于在顶板一侧地表沉陷和水平变形范围大于底板一侧，对地面破坏程度 严重，所以对于“三下”开采来说，如何实现开采时岩层和地表变形的控制，特别是顶板一侧 的控制，才能够减少对地表建筑、桥梁、铁路、水体的影响，成为特厚急倾斜煤层“三下”开采 的一个关键且迫切需要解决的问题。
发明内容
通常采用的由浅向深水平分层开采，顶板一侧地表受到范围不断向外扩展的拉伸 大变形作用，如何控制顶板侧的变形范围，改变这种变形随着开采水平的下移而不断扩展 的岩层移动模式，引导沉陷变形集中于下沉盆地中央和煤层露头发生，这是本发明的关键 所在。本发明所要解决的技术问题是提供一种特厚急倾斜煤层仰式反斜开采岩层控制 方法，这种开采方法比水平分层开采可更有效地控制顶板侧地表的移动和变形，减小顶板 侧的采动损害。本发明通过以下技术方案实现—种特厚急倾斜煤层仰式反斜开采岩层控制方法，适用于煤层厚度大于50m且煤 层倾角α大于45°的特厚急倾斜煤层，煤层开采采取从浅向深分层开采方式，分层工作面 与煤层倾向相反(反斜)，向底板一侧倾斜，各分层工作面采取由底板向顶板方向开采(仰 采)的方式，控制采空区岩层从底板一侧开始垮落，从而改变采空区围岩的垮落顺序和传 播特征，控制顶板一侧地表的移动变形程度和沉陷范围。分层工作面倾角α s指分层工作面与水平面夹角，要求α层≤ 90-α，使底煤柱形 成近法向支撑。α s越小越接近于水平开采，则不利于岩层控制，α s过大又会给回采工艺 带来困难，比较理想的取值是α s= 10 30°，有利于控制顶板侧岩层垮落、移动范围与程度。本发明特厚急倾斜煤层仰式反斜开采岩层控制方法，分层面向顶板倾斜，形成反 斜，通过反斜分层开采可使未采区形成楔型煤柱，改变岩层移动的传播方向，增大开采影响 传播角和顶板一侧移动角。采用由底板向顶板方向开采，即仰采。通过仰式开采顺序使底板 一侧的岩层先行垮落、上部采空区岩石充分充填采动空间，从而抑制顶板岩层的法向破断。 两者的结合改变了采空区围岩的垮落顺序和传播特征，引导开采沉陷集中于急倾斜露头和 底板一侧，以降低顶板一侧地表的移动变形程度，减小顶板一侧地表的移动范围，有利于控 制顶板岩层垮落、移动范围和变形程度，有利于保护靠近顶板一侧地表建筑、桥梁、铁路、水 体等。
图1为特厚急倾斜煤层仰式反斜开采方法示意图，其中α-煤层倾角；α s-仰式反斜分层工作面与水平面的夹角；β〒-水平分层开采顶板侧移动角；β & -仰式反斜分层开采顶板侧移动角；Y-底板侧移动角。图2为窑街三矿采用仰式反斜分层开采与水平分层开采后的地表移动变形曲线 比较图，其中图2a为地表下沉对比图，图2b为地表倾斜对比图，图2c为地表水平移动对比 图，图2d为地表水平变形对比图。
具体实施例方式下面通过实例对本发明作进一步详细描述。实施例1如说明书附图1所示，本发明一种特厚急倾斜煤层仰式反斜开采岩层控制方法， 适用于煤层厚度大于50m且煤层倾角α大于45°的特厚急倾斜煤层。煤层开采采取从浅 向深分层开采方式，即从上到下逐层开采，分层工作面倾向底板，即与煤层倾斜方向相反， 以控制顶板悬露面积。在每一分层工作面开采方向如箭头所示，均为由底板向顶板方向开 采，控制采空区岩层从底板一侧先行垮落，而开采到达顶板一侧时，由于逐渐由底板一侧垮 落的岩层等对采空区的充填，使得顶板岩层垮落的垂高和水平距离均减少，减少顶板侧地 表沉陷和水平变形的影响范围和变化量。分层工作面与水平面夹角α层一般取10 30°。由图1所示，与水平开采相比，仰式反斜分层开采顶板侧移动角β &大于水平分层 开采顶板侧移动角β〒，对应地在地表处，与水平分层开采影响边界相比，仰式反斜分层开 采影响边界向塌落中心区移动，减少顶板侧地表沉陷和水平变形的影响范围和变化量。附图2为窑街三矿采用仰式反斜分层开采与水平分层开采后的地表移动变形曲 线比较图。窑街煤电公司三矿皮带斜井井田，位于窑街煤田的中部，矿区深大基底主干断 裂构造F19断层的西侧、大通河东岸。井田西北部为大通河东岸的大通河I、II、III级阶 地，大通河自北向南从井田西侧流过，在享堂峡口外注入湟水河。地面海拔标高为1800 1840m，井田东南部为剥蚀的中低山和黄土冲沟地貌，海拔标高为1840 2500m。窑街矿 区是我国特厚急倾斜煤层分布比较集中的矿区，其中的窑街三矿的矿井急倾斜煤层厚度达 20 120m，煤层倾角变化大，在浅部平缓，深部陡峻，煤层倾角基本上都超过45°。通过利用发明人开发的“急倾斜煤层开采沉陷预测分析系统”模拟计算，由图2a 可以看出，仰式反斜分层开采的地表下沉的最大值比水平分层开采的地表下沉的最大值 小，并且下沉范围向底板方向偏移。由图2b可以看出，仰式反斜分层开采的地表倾斜的最大值比水平分层开采的地 表倾斜的最大值小，并且倾斜范围向底板方向偏移。由图2c可以看出，仰式反斜分层开采的地表水平移动的最大值比水平分层开采的地表水平移动的最大值小，并且水平移动范围向底板方向偏移。由图2d可以看出，仰式反斜分层开采的地表水平变形的最大值比水平分层开采 的地表水平移动的最大值小，并且水平变形的变化范围向底板方向偏移。总之，相比于水平分层开采，仰式反斜分层开采地表移动变形值相对偏小，沉陷范 围向底板方向偏移。由此可见，在一定的开采垂高范围内，仰式反斜分层开采比水平分层开 采更能够控制地表移动变形，减小顶板侧的采动损坏，有利于减小地面建筑的采动损坏。
权利要求
一种特厚急倾斜煤层仰式反斜开采岩层控制方法，适用于煤层厚度大于50m且煤层倾角大于45°的特厚急倾斜煤层，其特征在于煤层开采采取从浅向深分层开采方式，分层工作面向底板一侧倾斜，每层开采方向均为由底板向顶板方向开采，从而改变采空区围岩的垮落顺序和传播特征，控制顶板一侧地表的移动变形程度和沉陷范围。
2.如权利要求1所述的开采岩层控制方法，其特征在于所述分层工作面倾角a层为 10° 30° 。
全文摘要
本发明公开了一种特厚急倾斜煤层仰式反斜开采岩层控制方法，适用于煤层厚度大于50m且煤层倾角大于45°的特厚急倾斜煤层，煤层开采采取从浅向深分层开采方式，分层工作面向底板一侧倾斜，由底板向顶板方向回采。与水平分层开采相比，通过反斜分层开采可使未采区形成楔型煤柱，改变岩层移动的传播方向，增大开采影响传播角和顶板一侧移动角；通过仰式开采顺序使底板一侧的岩层先行垮落、上部采空区岩石充分充填采动空间，从而抑制顶板岩层的法向破断。两者的结合改变了采空区围岩的垮落顺序和传播特征，引导开采沉陷集中于急倾斜露头和底板一侧，以降低顶板一侧地表的移动变形程度，减小顶板一侧地表的移动范围。
文档编号E21C41/16GK101832138SQ201010134130
公开日2010年9月15日 申请日期2010年3月29日 优先权日2010年3月29日
发明者上官科峰, 戴华阳, 易四海, 王更雨, 田靖安, 阎跃观 申请人:中国矿业大学(北京);窑街煤电集团有限公司