煤矿特殊开采方法

软弱
100 M Hd 4.0 3.1 M 5.0
Hd 100 M 3.0 5.0 M 8.0
H d 10
M 5
极软弱
注：Σ—累计采厚；公式应用范围：单层采厚1～3m，累计采厚不超过15m； 计算公式中±号项为中误差。
②急倾斜煤层（55°～90°）
煤层顶板为坚硬、中硬、软弱岩层，用垮落法开采时的垮 落带及导水断裂带高度，可选用表1-4中的公式计算。
h MZ M2 M1 y 2
（1-3）
式中Mz—上下煤层综合开采厚度，m； M2—下煤层厚度，m； M1—上煤层厚度，m； h—上下煤层层间距，m； y2—下煤层 的垮落带高度与采厚之比。 当上下煤层的层间距很小时，综合开采厚度取上下煤层厚度之和， 即 M Z M1 M 2 （1-4） 求出综合开采厚度后，可按单一煤层开采的条件计算垮落带和断 裂带的高度。
图1-4 近距离煤层垮落带和断裂带高度计 算 (a)层间距大于下位煤层开采形成的垮落带高度；(b)层
间距小于下位煤层开采形成的垮落带高度
b.上下两层煤的最小层间距小于下煤层开采形成的垮落带高度 如图1-4(b)所示，上下煤层的层间距h小于下位煤层开采形成的 垮落带高度Hk时，上煤层的断裂带最大高度按该层的厚度计算， 下煤层的断裂带最大高度按上下两煤层的综合开采厚度计算，取 其中标高最高者作为两层煤的断裂带最大高度。上下煤层的综合 开采厚度可按（1-3）式计算。
垮落带高度
M Hk (k 1) cos
a.若煤层顶板覆岩内有极坚硬岩层，开采后能形成悬顶， 垮落带最大高度Hk按（1-1）式计算。
b.当煤层顶板覆岩为坚硬、中硬、软弱岩层或其互层时， 考虑顶板下沉因素，开采单一煤层的垮落带最大高度Hk 可按（1-2）式计算。
M Hk (k 1) cos
现场观测
由于经验公式计算存在一定的误差，所以可 根据实际条件现场观测获得。
三、岩层或煤层的抽冒与切冒
在一些特殊条件下，开采空间附近的岩层或煤 层可能出现抽冒或切冒现象。 抽冒指的是在浅部厚煤层、急倾斜煤层及断层 破碎带和基岩风化带附近采煤或掘巷时，顶板 岩层或煤层本身在较小范围内垮落超过正常高 度的现象。 切冒指的是当厚层极硬岩层下方采空区达到一 定面积后发生直达地表的岩层一次性突然垮落 和地表塌陷的现象。
表1-4 急倾斜煤层垮落带与导水断裂带高度计算公式
岩性
垮落带高度计算公 式/m
导水断裂带高度计算 公式/m
100 Mh 8.4 H k (0.4 ~ 0.5) H d H d 坚硬 4.1h 133 中硬、软 H (0.4 ~ 0.5) H H d 100 Mh 7.3 k d 7.5h 293 弱
充分采动：地表最大下沉达到该地质采矿条 件下应有的最大值，此后范围增加，地表下 沉值不再增加。
图1-1 开采影响范围内应力影响带的划分示意图 1—地表下沉曲线；2—支承压力分布曲线；3—岩层面法向岩石变形曲线； 4—垮落带； Ⅰ—充分采动区；Ⅱ、Ⅱ′—最大弯曲区；Ⅲ、Ⅲ′—顶板压缩区；Ⅳ、 Ⅳ′—底板压缩区；Ⅴ、Ⅴ′—底板不均匀隆起区；Ⅵ—底板均匀隆起区
计算公式/m
100 M 坚硬（40～80MPa，石英砂岩、石灰岩 Hk 2 .5 、砂质页岩、砾岩） 2.1 M 16
中硬（20～40MPa，砂岩、泥质灰岩、 砂质页岩、页岩）
软弱（10～20MPa，泥岩、泥质砂岩） 极软弱（＜10MPa，铝土岩、风化泥岩 、粘土、砂质粘土）
Hk
100 M Hk 1 .5 6的现象和过程。 影响因素： 地质因素：岩层结构特征、力学性质及含 水性 煤层的特征：煤厚、倾角、采深 采矿因素：采矿方法（充填、全部垮落法、条带
开采）
开采范围
一、充分采动区、岩石压缩区和 底板隆起区
*先研究近水平煤层、缓倾斜煤层——长壁开 采、垮落法管理顶板
图 地表下沉盆地主剖面图

在地表移动盆地的形成过程中，改变了 地表原有的形态，对位于影响范围内的道路、 管线、沟渠、工程和建筑物带来了不同程度 的影响。在地表潜水位较高的地区，地表移 动盆地内常年积水，影响了土地使用或使耕 地荒废。
裂缝
在地表移动盆地外边缘区，地表可能产生裂 缝。裂缝的深度和宽度与有无第四纪松散层 及其厚度、性质和变形值大小密切相关。若 第四纪松散层为塑性大的粘性土，一般拉伸 变形值超过6～10 mm/m时地表才出现裂 缝；塑性小的砂质粘土、粘土质砂或岩石， 地表拉伸变形值达到2～3 mm/m时，即可 产生裂缝。 （实例：华丰、山西大同）
式中 ω——垮落过程中顶板下沉值，m c．厚煤层分层开采时，垮落带最大高度Hk可按表1-2的 公式计算。
k——岩石碎胀系数。岩石的碎胀系数取决于岩石性质， 坚硬岩石碎胀系数较大，松软岩石碎胀系数较小（表1-1） 表1-1 岩石的碎胀系数k 碎胀系数k
岩石名称
碎煤
初始（刚破碎）
＜1.20
残余（压实后）
第二节 开采引起的地表移动
思考题 1、掌握下沉盆地、充分采动、非充分采动、主断面、充分采动 角、边界角、移动角、裂隙角、最大下沉角的概念，并记住 各角值符号。 2、地表移动和破坏的主要形式有哪三种？ 3、了解地表移动盆地的形成过程。 4、掌握超充分采动、非充分采动的近水平和缓倾斜煤层地表移 动盆地特征。 5、地表移动变形的主要指标有哪5种？掌握其符号及单位。 6、掌握描述地表移动与变形的五项指标之间的函数关系。 7、能绘制充分采动、超充分采动和非充分采动条件下地表移动 与变形五曲线图，并注意其与采空区的位置关系
2、断裂带
导水性——防水煤岩柱留设 导气性——高位瓦斯抽放层位
高度计算：非线性
3、弯曲带
岩移理论——可预测性 不导水 可利用离层带（bed separation zone）— —注浆充填覆岩离层带 事实上：地表移动体积远小于开采煤层体积： 离层吸收是重要的原因。 （一般1：0.4～0.6）
注：h——区段或分段垂高，m；M——煤层法线厚度，m。
近距离煤层
当上下煤层距离较近时，上下煤层开采形成 的垮落带和断裂带范围可能重叠一部分，重叠 的范围和程度取决于上下煤层的层间距。 a．上下两层煤的最小层间距大于下煤层开 采形成的垮落带高度 如图1-4(a)所示，上下两层煤的层间距h较小， 但还大于下煤层开采形成的垮落带高度Hk，上 下煤层的垮落带高度不重合，而断裂带高度可 能重合，上下煤层的断裂带最大高度可按近距 离上下煤层的厚度分别计算，取其中标高值最 高者作为两层煤的断裂带最大高度；上下煤层 的垮落带高度则取上煤层的垮落带高度。
三带的空间形态
倾角关系密切
图1-3 垮落带、断裂带和弯曲带的空间形态 （a）0°≤α≤35°煤层；（b）36°≤α≤54°煤层； （c）55°≤α≤90°煤层
垮落带及断裂带高度计算
1、影响因素：顶板岩性、煤层倾角、采厚、 采煤方法、采空区尺寸、采空区处理 2、统计回归公式（重点） 3、其他方法（类比、实测） 4、近距离煤层
二、垮落带、断裂带和弯曲带
图1-2 上覆岩层移动分带示意图 Ⅰ—垮落带；Ⅱ—断裂带；Ⅲ—弯曲带
三带
垮落带——caving zone 断裂带——fractured zone 弯曲带——sagging zone
层状岩层移动——弯曲→离层→断裂→垮落
1、垮落带（直接顶、基本顶）
特点：导水、导砂、导气（瓦斯） 防砂煤岩柱留设 高瓦斯聚积通道和场所
柴里矿301工作面地表裂缝实测图
开采急倾斜煤层时地表移动特征
3. 塌陷坑
煤层开采时（尤其是 急倾斜），煤层露头处 附近地表呈现出严重的 非连续性破坏，往往会 出现漏斗状塌陷坑，北 票矿区地表塌陷漏斗如 图。
在缓倾斜或中倾斜煤层浅部开采条件下，地表出现非连续性 破坏时，也可能出现塌陷坑。鹤岗富力矿浅部开采引起的地 表漏斗状塌陷坑如图。
100 M Hk 1 .2 7.0 M 63
100 M 2.2 4.7 M 19
注：Σ—累计采厚；公式应用范围：单层采厚1 ～3m，累计采厚不超过15m；计算公式中 ±号项为中误差。
导水断裂带高度 煤层覆岩为坚硬、中硬、极软弱或其互层时， 采用单一薄及中厚煤层或厚煤层分层开采时， 导水断裂带高度Hd可按表l-3中的公式计算。
下伏岩层 下三带

底板破坏带 完整岩层带 承压水上采煤（华北型煤田） 底板水导升带 奥灰、 山东徐灰）
第一章 开采引起的岩层与地表移动
研究对象：层状沉积矿床（岩层） 脉状——不适合 理论的贡献人物 J.李特维尼申（波兰数学家） 刘宝琛院士 刘天泉院士
第一节 开采引起的岩层移动
思考题
1、概念：岩层移动 2、上覆岩层分哪“三带”？了解其主要特征。 3、影响垮落带和断裂带高度的主要因素有哪 些？会利用经验公式计算其高度。
实例：七五生建煤矿SD1钻孔
109工作面，走向620m，倾向220m， H=640m，m＝2.6～3.0m，W＝103mm。 主要存在4个离层带，平均离层高度0.07～ 0.74m，平均0.32m （1）209.10～232.00 (22.90m) （2）465.50～469.59m（6.65m） （3）502.00～526.50m（4.50m） （4）557.50～615.00m（2.10m）
表1-3 薄及中厚煤层和厚煤层分层开采时 导水断裂带高度计算公式
岩性 坚硬 中硬
计算公式之一/m
Hd 100 M 8.9 1.2 M 2.0
计算公式之二/m
H d 30 H d 20
M 10 M 10
Hd
100 M 5.6 1.6 M 3.6
1.05
泥质页岩 砂质页岩 硬砂岩