薄基岩浅埋旺采工作面覆岩运移特征研究.pdf

煤炭工程 2 0 1 3年第 2期 薄基岩浅埋 旺采工作面覆岩运移特征研 究 李 文 。 ，胡 智。 1 ． 煤炭科学研究总院 矿山安全技术研究分院，北京1 0 0 0 1 3 2 ． 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 煤炭科学研究总院 ，北京1 0 0 0 1 3 ； 3 ．中国煤炭科工集团 南京设计研究院，江苏 南京2 1 0 0 3 1 摘要为了掌握薄基岩浅埋旺格维利法回采工作面覆岩运移特征，以神东公司榆家梁煤矿 4 2 2 1 6旺采工作面为研究对象，通过理论计算和现场监测等技术手段 ，得到适合神 东矿 区 自身特 点的线性支架压力监测、顶板下沉和片帮观测及地表移动监测方案 ，提 出薄基岩浅埋旺采工作面 的极限悬顶面积的计算方法。结果表 明，旺采工作面在开始回采时，顶板压力显现不明显，随着 悬顶面积的增大，顶板压力极不稳定，压力时大时小，当直接顶经强制放顶或 自然垮落后，顸板 压力逐渐趋于稳定，随着短壁工作面向前推进 ，顶板压力呈现周期性特 点；旺采工作面地表塌 陷 具有突然性、台阶状的特点。 关键词薄基岩；浅埋；旺格维利采煤法；极限悬顶面积；线性支架压力 中图分类号 T D 3 2 5 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 3 0 2 - 0 0 6 2 -0 4 S t u d y o n Ov e r b u r d e n S t r a t a M i g r a t i o n Fe a t u r e s o f W o n g a wi l l i M i n i ng Fa c e Und e r Th i n Ba s e Ro c k wi t h S ha l l o w De pt h LI W e n ． HU Zh i 1 ． Mi n e S a f e t y T e c h n o l o g y B r a n c h ，C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ，B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ； 2 ． N a t i o n a l K e y t a b o f H i s h E f fi c i e n t M i n i n g a n d C l e an U t i l i z a ti o n o f C o a l R e s o u r c e s ，C h i n a C o a l R ese a r c h I n s ti t u t e ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ； 3 ． N a n j i n g D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e ，C h i n a C o a l T e c h n o l o gy and E n g i n e e r i n g G r o u p，N a n j i n g 2 1 0 0 3 1 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o ma s t e r t h e o v e r b u r d e n s t r a t a mi g r a t i o n f e a t u r e s o f t h e W o n g a wi l l i mi n i n g f a c e u n d e r t h i n b a s e r o c k w i t h s h a l l o w d e p t h ，t a k i n g N o ． 4 2 2 1 6 Wo n g a w i l l i m i n i n g f a c e i n Y u j i al i a n g Mi n e o f S h e n d o n g C o m p a n y a s t h e s t u d y o b j e c t ，w i t h t h e t h e o r e t i c a l c al c u l a t i o n ，t h e s i t e m o n i t o r i n g a n d m e a s u ri n g a n d o t h e r t e c h n i c a l m e a n s ，a l i n e a r p r e s s u r e mo n i t o r i n g a n d me a s u ri n g o f t h e p o w e r e d s u p p o r t ， r o o f s u b s i d e n c e ， c o a l w all s p a l l i n g o b s e r v a t i o n a n d t h e s u r f a c e g r o u n d d i s p l a c e me n t mo n i t o r i n g a n d me a s u rin g p l a n s u i t a b l e f o r t h e mi n e f e a t u r e s i n S h e n d o n g Mi n i n g A r e a w e r e o b t a i n e d ． T h e p a p e r p r o v i d e d t h e c alc u l a t i o n me t h o d o f t h e l i mi t s u s p e n d e d r o o f a r e a i n t h e W o n g a w i l l i mi n i n g f a c e i n a s h a l l o w d e p t h s e a m u n d e r t h e t h i n b a s e r o c k ． T h e r e s u l t s s h o we d t h a t a t t h e i n i t i al mi mi n g o f t h e W o n g a w i l l i mi n i n g f a c e ， t h e r o o f p r e s s u r e b e h a v i o r wa s n o t o b v i o u s ． W i t h t h e s u s p e n d e d r o o f a r e a i n c r e a s e d， t h e r o o f p r e s s u r e w a s e x t r e me l y u n s t a b l e a n d t h e r o o f p r e s s u r e w o u l d b e h i g h a n d l o w． W h e n t h e i mme d i a t e r o o f w a s f o r c e d c a v e d o r n a t u r all y f a l l e n d o wn， t h e r o o f p r e s s u r e w o u l d b e s t e a d i l y i n s t a b l e ． W i t h t h e s b o r t w a l l mi n i n g f a c e a d v a n c e d f o r w a r d， t h e r o o f p r e s s u r e wo u l d h a v e p e ri o d i c al f e a t u r e s ． T h e s u rfa c e gro u n d s u b s i d e n c e a b o v e t h e W o n g a w i l l i mi n i n g f a c e w o u l d h a v e t h e f e a t u r e s o f the s u d d e n n e s s a n d b e n c h e s ． Ke y wo r d s t h i n b a s e r o c k； s h all o w d e p t h； Wo n g a wi l l i mi n i n g me t h o d； l i mi t s u s p e n d e d r o o f a r e a； l i n e a r s u p p o rt pr e s s ur e 我国西部地区的浅埋煤层一般埋深小于 1 5 0 m，地表大 都为厚松散沙土层或黄土层。神东矿区煤层赋存的典型特 6 2 征是埋深浅、基岩薄、上覆较厚的第四纪松散沙层。 旺格维利采煤法 简称 “ 旺采” 是澳大利亚发明的一 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 2 9 基金项目国家重点基础研究发展规划 9 7 3计划 资助项 目 2 0 1 2 C B 7 2 4 2 0 8 ；国家 自然科学基金煤炭联合基金资助项 目 5 1 1 7 4 2 7 2 作者简介李文 1 9 8 0一 ，男 ，山东定陶人，助理研究员，博士，主要从事采矿工程与安全、地球物理勘查、灾害 监测与防控等方面的研究工作。 2 0 1 3年第 2期 煤炭工程 种井工矿井普遍采用的采煤方法，2 O世纪 8 0年代末趋于成 熟，9 0 年代末引进我国并在神东矿区推广使用。旺采是使 用连续采煤机割煤，连续运煤系统 运煤车或梭车 运煤 ， 利用煤柱支撑法或采用线性支架支护，全部垮落法管理顶 板的一种采煤方法。 神东矿区从 1 9 9 5年开始引进应用连采配套设备和旺采 工艺，目前神东公司利用旺采工艺很好地解决了大巷煤柱、 井田边界不规则小块段、断层、冲刷等地质构造带附近无 法布置综采进行回采的区域的煤炭回采问题 ，提高了矿井 的资源回收率，截至2 0 1 1 年底 ，神东矿区旺采煤炭产量约 3 0 0万 t 。 在浅埋煤层工作面覆岩运移特征研究方面，侯忠杰⋯ 根据浅埋煤层的特点 ，提出了覆岩全厚整体台阶切落的判 断公式 ，补充了关键层理论在浅埋煤层应用中的判定准则。 黄庆享 应用顶板结构理论进行了顶板控制的定量化分析， 指出顶板台阶下沉是由单一关键层顶板破断失稳造成的， 提出了浅埋煤层顶板来压的 “ 短砌体梁”和 “ 台阶岩梁” 结构模型。杨治林 针对浅埋煤层单一关键层长壁开采时 顶板岩体结构的破断特征，建立了顶板岩体关键层塑性状 态下的结构模 型。任艳芳等 利用离散元数值模拟软件， 分析了典型浅埋深长壁工作面围岩力学场分布特征和覆岩 运动规律，研究了浅埋深长壁工作面覆岩结构形式及运动 特征，等等。在旺格维利采煤法相关研究方面，周爱平 介绍了神东煤炭公司应用旺格维利采煤法的主要工艺参数、 新装备和关键技术问题的解决对策 ；王新伟 结合上湾煤 矿实际应用情况，分析 了旺采工艺的优缺点和适用条件； 周茂普⋯采用理论计算和现场观测相结合的方法对大柳塔 煤矿22 煤层 1 2 6 0 7旺格维利采区和哈拉沟0 2 1 0 7 L旺格维 利工作面的矿压显现进行了分析；彭海兵，李瑞群 对旺 采区合理煤柱尺寸进行了数值模拟和现场监测，得出了合 理的煤柱尺寸；鹿志发等 对旺采在神东矿区的发展历程、 回采现状、适应性和经验进行了总结，并提出了推广规划 及奋斗目标。在一定程度上，上述研究分析了浅埋煤层的 覆岩运移特征，为掌握浅埋煤层开采顶板活动规律的研究 奠定了理论基础，对旺格维利采煤法也相应进行了较为详 细的介绍。但可以看 出，针对浅埋煤层顶板活动规律的研 究大多集中于对长壁综采工作面；对于旺采工作面也仅限 于开采工艺、方法 、实践和数值模拟等方面的研究，而对 于工作面覆岩运移规律鲜有研究。 本文拟在前人研究的基础上 ，通过理论计算，分析薄 基岩浅埋旺采工作面的极限悬顶面积，通过线性支架压力 监测、顶板下沉和片帮量观测及地表移动监测获取旺采工 作面的覆岩运移特征，为薄基岩浅埋旺采工作面的高产高 效安全生产提供保障。 1 神东矿 区榆家梁煤矿 4 2 2 1 6旺采工作面概况 神东矿区榆家梁煤矿 4 2 2 1 6旺采工作面煤层厚度 3 ． 4 1 3 ． 7 1 m，平均3 ． 5 5 m，煤层倾角 1 。～3 。 ，为近水平煤层， 煤层埋深 1 8 6 9 m，上覆基岩厚度 1 0～ 3 0 m，直接顶厚度为 1 ． 7 5 5 ． 2 m的砂质泥岩，直接底为 0 ． 4 06 ． 3 7 m的粉砂 岩，地表为黄土沟壑区，断层不发育，后生裂隙发育。 4 2 2 1 6旺采工作面分为五区和六区，其中五区布置 2条 集中巷，1 8条支巷，划分为四个区段，区段问留设 1 5 m隔 离煤柱，支巷间每隔 3 0～ 4 0 m施工联巷，支巷间煤柱宽度 均为 1 1 ． 5 m；六区布置 2条集中巷，1 2条支巷，不划分区 段。五区第一、二区段工作面布置方式如图 1所示。 图1 神东矿区4 2 2 1 6旺采工作面布置方式 m 2 薄基岩浅埋旺采工作面极 限悬顶面积计算 4 2 2 1 6旺采工作面顶板比较坚硬 ，为避免造成大面积顶 板垮落事故 ，须在旺采工作面达到极限悬顶面积前进行强 制放顶 。 一 般来说，极限悬顶面积按下式计算 SL a 1 式 中 ． 极 限悬顶面积 ，m ； ￡ 一 极限垮落步距，m； o 区段宽度，m。 其中悬顶按固定梁计算 ，则 ⋯ 2 式 中 岩层的单层厚度 ，m； R r 岩层极限抗拉强度，k P a ； 岩层容重 ，k N ／ m 。 直接顶为砂质泥岩 ， 厚度最大为 5 ． 2 m ，砂质泥岩极限 抗拉强度取 2 6 0 0 k P a ，容重取 2 4 ． 0 k N ／ m 2 ，则直接顶垮落步 距 ￡ 一 s ． 2 √ ． 6 m 6 3 煤炭工程 2 0 1 3年第 2期 图 1 1 探 测断面 Ⅳ处断面松动圈范围示意图 m 图 1 1可得 ，回采巷道开挖一段时间后 ，巷道两帮靠近基角 处及左侧肩角处围岩后续破坏严重，松动圈向围岩深部发 展较快，需重点支护。 4 巷道支护建议 1 巷道原采用的2 0 m m 2 4 m m的高强预应力左旋 无纵筋上丝锚杆能力富余 ，可选择采用 2 0 m m2 2 mm 的锚杆进行支护，节省支护成本。 2 巷道两帮靠近基角处和左侧肩角处采用全锚固锚杆 支护，增加锚杆的横向阻抗作用，防止锚杆被剪断。 3 在巷道两帮靠近基角处和左侧肩角处增加注浆锚 杆 ，进行注浆支护，提高此处围岩的整体强度和承载能力， 控制围岩松动圈的进一步发展。 5 结语 通过探地雷达探测分析得出该矿 3 3 0 2工作面轨道巷的 围岩松动圈范围为 1 ． 11 ． 6 m，新掘巷道 围岩松动圈整体 较小，经过一段时间后，围岩松动圈范围有增大趋势 ，且 巷道两帮靠近基角处及巷道左侧肩角处松动圈范围明显比 其他部位较大。并根据分析结果对该巷道的支护方案进行 了相应 的优化处理 。 参考文献 董方庭．巷道 围岩松动圈支护理论及应用技术 [ M] ．北京 煤炭工业出版社 ，2 0 0 1 ． 刘刚．矩形巷道围岩松动圈分布规律研究 [ D ] ．徐州 中国矿业大学 ，2 0 0 0 ． 靖洪文 ，李元海 ，梁军起 ，等．钻孔摄像测试 围岩松动圈的 机理与实践 [ J ] ． 中国矿业大学 学报 ，2 0 0 9 ，3 8 5 6 4 5 ～6 5 0． 杨永杰，刘传孝，蒋金泉，等．巷道围岩松动圈的地质雷达 探测及应用 [ J ] ．工程地质学报 ，1 9 9 7 ，5 3 2 7 6～ 2 8 1 ． 沈 杰 ，梁 文学．孤 岛工 作 面全 煤巷 道 松动 圈 测试 研究 [ J ] ．煤炭科学技术， 2 0 0 7 ，3 5 6 5 9 ～ 6 2 ． 许 国安 ，靖洪文．煤矿巷道 围岩松动 圈智 能预测研究 [ J ] ． 中国矿业大学学报 ，2 0 o 5 ，3 4 2 1 5 2～1 5 5 ． 李 大心．探地雷达 方法与应 用 [ M] ．北京 地 质 出版 社 ， 1 9 9 4． 宋宏伟 ，王闯，贾颖绚．用地质雷达测试围岩松动 圈的原 理与实践 [ J ] ． 中国矿业大学 学报 ，2 0 0 2 ，3 1 4 3 7 0～ 3 7 3 ． 责任编辑郭继圣 上接第6 4页 2 旺采工作面在老顶来压时，线性支架压力会突然升 高，而且辐度较大，压力 由 1 8 p s i 增加到 4 8 p s i ，片帮 增多，响声频繁。但由于线性支架在移动当中，老顶断裂 的位置及时间不能确定，识别老顶来压主要是根据巷道片 帮及顶板的响声 。 3 薄基岩浅埋旺采工作面地表塌陷具有突然性、台阶 状的特点。 5结论 1 极限悬顶面积与极限垮落步距和区段宽度成正比， 极限垮落步距与岩层的单层厚度、岩层极限抗拉强度和岩 层容重相关 。经计算 ，榆家梁煤矿 4 2 2 1 6短壁工作面五区 第一区段和第二区段的理论极限悬顶面积分别为 1 5 4 5 ． 6 m 和 1 6 1 2 ． 8 m ，实际悬顶面积约 1 4 4 01 6 8 0 m ，这与神东矿 区短壁开采极限悬顶面积经验值 2 0 0 0 m 比较接近。 2 线性支架压力监测、顶板下沉和片帮量观测及地表 移动监测是旺采工作面覆岩运移监测的重要手段。 3 随着短壁工作面向前推进，顶板压力呈现由低到高 不稳定 到周期性特点。 4 薄基岩浅埋旺采工作面地表塌陷具有突然性、台阶 状的特点，这是薄基岩浅埋工作面的典型特征。 参考文献 侯 忠杰．浅埋 煤层关键 层研究 [ J ] ．煤 炭学 报，1 9 9 9，2 4 4 3 5 9～3 6 3 ． 黄庆享 ，钱鸣高 ，石平 五．浅埋煤层采场老顶周期来压的结 构分析 [ J ] ．煤炭学报，1 9 9 9 ，2 4 6 5 8 1 5 8 5 ． 杨 治林．浅埋煤层 长壁开采 顶板结构稳 定性 分析 [ J ] ．矿 山压力与顶板管理 ，2 o o 5，2 2 2 7～ 9 ． 任艳芳 ，刘江 ，齐庆新．薄基岩浅埋深长壁工作面覆岩结 构运动特征 [ J ] ．煤矿开采 ，2 0 1 l ，1 6 3 3 5～3 7 ． 周爱平 ．旺格 维利采煤法 在神东矿 区的应用 [ J ] ．中 国煤 炭 ，2 o o 6 ，3 2 5 8～l 2 ． 王新伟．旺格维 利采煤法 在神东矿 区的应用 [ J ] ．煤炭科 学技术 ，2 0 0 6，3 4 8 3 6 3 8 ． 周茂 普．连续 采煤机 短壁机 械化开 采矿压 显现 特征 [ J ] ． 煤炭科 学技术 ，2 0 0 7 ，3 5 9 3 5～ 3 9 ． 彭海兵，李瑞群．旺格维利采煤法合理煤柱尺寸研究 [ J ] ． 煤炭工程 ，2 0 0 9 ， 1 5～ 8 ． 鹿志发，孙建明，潘金，等．旺格维利 W o n l l i 采 煤法在神东矿区的应用 [ J ] ．煤炭科学技术，2 0 1 2 ，3 0 增 1 1 1 8 ． 责任编辑郭继圣 1j 1{] 1J ] j 1 j 1j _一_