利用关键层控制宽条带开采地表下沉的实践研究

摘要　本文根据岱庄生建煤矿具体的地质采矿条件对关键层在减缓宽条带开采地表下沉中的作用进行了研究。实践表明，在特定的覆岩结构条件下，可以利用关键岩层来控制地表下沉，实现宽条带安全、高产、高效开采。
关键词　关键层　条带开采　地表移动　变形

引　言
　　由于煤层覆岩中存在的厚岩层具有较强的抵抗采动影响、抵抗拉伸变形的能力，因此会使地表下沉量显著减小。特别是在条带开采中，通过选用合理的采留比，使得覆岩中的关键层仍保持其悬空稳定状态，则可有效的控制地表的下沉，保护地面设施。文献［1］中通过相似模型实验研究得出了许多有益的结论，然而有关该方面的实践研究进行的较少^{［2］［3］}。作者根据岱庄生建煤矿的开采条件，对关键层在减缓宽条带开采地表下沉中的作用进行了实践研究。

1　关键层的筛选及稳定性判断
　　岱庄生建煤矿主要含煤地层为下二迭统山西组和上石炭统太原组，煤系基盘为中奥陶统，煤系上覆地层为上侏罗统和第四系。上侏罗统地层厚度为170.38m，成分多为石英砾，其次为灰岩砾，圆度较差，粒径为5cm左右，最大的达10cm。砂矽质及粘土质胶结，有些地方胶结坚硬，但个别地方较疏散。上盒组岩层中有一层厚为28.14m的粗砂岩。其成分以石英为主、长石次之，其它矿物碎屑少量。颗粒分选较均一、圆度较差，钙质及矽质胶结，结构致密坚硬，距煤层约125m。另外上石盒子组还有一层中砂岩与细砂层互层，厚约10.67m，距煤层约15m。该层结构致密、圆度较好。
　　根据岩层控制理论中的关键层理论可知：当采场上覆盖层中存在着某些坚硬岩层并且回采距离小于其断裂距时，则该层将以板（或简化为梁）结构的形式承受上覆岩层的部分重量，从而可极大地减少地表的下沉和移动。而上石盒子组28m厚的粗砂岩层及中砂岩和细砂岩互层可能成为关键层。现判定如下：
　　a　关键层层面弯距的计算（粗砂岩层）

式中
　　maxM_x,maxM_y——层面最大弯距值；
　　β、β₁——系数；
　　q——层面所受载荷；
　　b——条带开采宽度。
　　b　层面最大拉应力的计算

式中
　　h——关键层厚度。
　　c　关键层长期稳定性的判定
　　上石盒子组的粗砂岩的单轴抗拉强度σ_m为1.95MPa，当采留比b/a＞1时，因maxσ_x＜ησ_mt成立（η—节理影响系数，取为0.2），由此从理论上可判定上石盒子组中层厚为28m的粗砂岩层，在采宽不大于100m时可长期处于稳定状态，从而形成托板支承，减少上覆岩层的下沉。而中砂岩和细砂岩互层在采宽超过50m后则发生断裂。

2　宽条带开采的实践及地表下沉监测
　　生建煤矿的31402工作面原设计走向长约350m、倾向长150m。但在掘进上下平巷过程中发现在其中部有一落差为5.4m的正断层，故设置了断层煤柱。因此将工作面切分成南北两段（图1），加上集中轨道下山的保护煤柱，从而形成了一个类似于宽条带的开采局面。为了摸清该采矿条件下地表移动变形的规律，在31402工作面地表的上方建立了地表移动观测站。该测区的地表较为平坦，平均高程在37m左右。煤层平均采深在430m左右，煤层倾角在5°左右，采厚为1.2m左右。该工作面除发现的落差为5.4m的正断层外无其它构造发育，无火成岩侵入现象。为了充分反映地表移动变形的分布规律，布设了如图1所示的三条观测线。

图1　三条观测线

　　在31402工作面回采过程中以及采后的两年多时间内，共进行了五次全面观测和二十次水准测量（不包括巡视观测）。由实测结果可知，工作面由起始位置向前推进距离为平均采厚的1／3．5时，由于采煤而引起的上覆岩层移动开始波及到地表。并且地表移动期较短。在开采工作结束4个月后，地表的最大下沉值达稳定后最大下沉值的95％。在采宽为100多m、留宽为60m时，地表呈现的是单一均匀下沉的盆地，其地表下沉曲线呈平滑下降趋势（见图2），没有出现波浪形。稳定后其地表最大下沉值近60mm。其地表最大下沉及变形远远小于砖石结构建筑物的临界变形值。31402工作面于1996年2月底结束回采，至今地表尚无大的沉降。

图2　岩层移动观测下沉曲线图

3　理论分析
　　31402工作面回采后地表下沉极小，这一事实充分表明了关键层在条带开采中减缓地表下沉的重要作用。由文献［3］可知：关键层之上的软岩层厚度的增大，关键层上支撑压力峰值和载荷值的无量纲值都相应降低，且载荷峰值和支撑压力峰值位置有远离煤壁的趋势。其次，随着两硬岩层中间软岩层厚度的增加，上关键层的载荷峰值和支撑峰值有下降趋势，且关键层上载荷峰值的位置和支撑压力峰值的位置都有远离煤壁的趋势。另外，随着煤层直接顶厚度的增加，关键层上载荷和支撑压力的峰值都有下降的趋势。而31402工作面关键层上方地层厚达305m，两关键层间距达106m，煤层加直接顶高度近15m。以上情况都表明：在这种条件下，关键层的载荷峰值和支撑压力峰值均小于其他情况，从而保证了关键层的稳定。

4　结　论
　　a　上石盒子组中的粗砂岩对回采过程中上覆岩层的变形破坏起着主要控制作用，成为一关键层。
　　b　在类似于31402工作面地质采矿条件下，可采用宽条带开采。其采宽上限可取100m，采留比可取100∶60。此时地表下沉是单一平缓盆地，无波浪形起伏。
　　c　在岱庄生建煤矿村庄下采煤中，由于关键层的存在，在采用条带采煤时，对建筑物的破坏远远小于Ⅰ级，从而实现了宽条带高产高效的安全开采。

* 煤炭留学基金项目

作者简介：于胜文，留俄博士，山东科技大学地球科学系测量教研室副主任。

作者单位：于胜文　郑文华　姜　岩　（山东科技大学）
　　　　　刘生中　赵全福（山东　岱庄生建煤矿）