巨厚松散层下煤层开采薄基岩变形及矿压显现研究.pdf

第 44卷 第 8 期 2018年 8 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 8 Aug. 2018 文章编号671-251X201808-0071-05 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018020007 巨厚松散层下煤层开I薄基岩变形及矿压显现研究 翟新献S 吕超S 唐 世 界 于 春 生 2 1.河南理工大学能源科学与工程学院， 河 南 焦 作 454000 开采后上覆薄基岩出现垮落带和裂隙带， 垮 落 带 高 度 为 12. 4 m，垮 采 比 为 3. 54,裂隙带高度为 36. 7 m，裂采比为10. 48。② 随着工作面推进距离的不断增加，工作面前方支承压力影响区范围、 支承压力 峰值和塑性区范围均增加； 当基本顶初次来压后， 工作面前方支承压力处于稳定状态， 主要表现为最大应力 集中系数和塑性区范围基本保持不变。研究结果可为类似地质条件下综采工作面围岩控制提供依据。 关键词 厚煤层开采；巨厚松散层；薄基岩；覆岩变形；矿压显现；支承压力 中图分类号TD325 文献标志码A 网络出版地址Gttp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180801. 1508. 001. html Study on thin bedrock deation and strata behavior in coal seam mining under ultra-thick unconsolidated strata ZHAI Xinxian1， LYU Chao1， TANG Shijie2, YU Chunsheng2 1. School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454000, China; 2.Zhaogu No.1 Coal Mine， Jiaozuo MiningGroup Co.， Ltd.， Jiaozuo 454000, China Abstract Taking No. 12051 fully-mechanized coal face of Zhaogu No.1 Coal Mine as research object, thin bedrock deation and strata behavior in coal seam mining under ultra-thick unconsolidated strata were studied by use of UDEC numerical simulation software. The results show that the first weighting interval and periodical weighting interval of the coal face is 55 m and 15 m respectively. Caving zone and fractured zone appear in overlying strata after mining. The height of caving zone and fractured zone is 12.4m and 36.7m respectively. Ratio of caving zone height to mining height is 3.54 and ratio of fractured zone height to mining height is 10. 48. Affected zone range of front abutment pressure， peak of front abutment pressure and plastic zone range increase with increase of coal face advancing distance. The front abutment pressure is stable after the first weighting at basic roof， which manifests in the maximum stress concentration factor and plastic zone range basically remain unchanged. The research results can provide basis for surrounding rock stability control of fully-mechanized coal face under the similar geological condition. Keywords thick coal seam mining； ultra-thick unconsolidated strata; thin bedrock; overlying strata deation ； strata behavior ; abutment pressure 收稿日期 2018-02-02;修回日期 2018-07-26;责任编辑 盛男。 基金项目 国家自然科学基金资助项目（ 51574110,51674102。 作者筒介翟新献（ 1963 ），男，河南偃师人，教授， 博士， 主要研究方向为采矿理论与技术，E-mailhaixxl963126. com。 引用格式翟新献， 吕超，唐世界， 等. 巨厚松散层下煤层开采薄基岩变形及矿压显现研究工矿自动化， 2018，4481-75. ZHAI XinxianLYU Chao, TANG Shijie, et al. Study on thin bedrock deation and strata behavior in coal seam mining under ultra-thick unconsolidated strata[J]. Industry and Mine Automation,2018,448 71-75. . 72 .工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 〇 引言 巨厚松散层薄基岩条件下厚煤层开采属于特殊 地质条件下的煤层 。当巨厚 层 底 部 含 水层， 厚煤层 岩 动影响下出 动裂 ， 松散层 或泥砂经过采动 煤工 作 面 ， 极 易 发 生 工 作 面 突 水 、 顶板溃砂及压架事 [1]。王晓振等[2]研究 岩条件下矿压显 L 律与煤层采高及岩层力学性质的关系， 得出不同类 型的基岩表现出的矿压显现特征不同的结论； 尉瑞 等） ]研究了坚硬 层 岩综放工 f 矿压显 影响 ， 发 岩 厚 层 ， 煤层 易造成 层内部形成拱形结构， 与 岩共同形成或 形成顶 结构， 有利 于减少煤层 发生的事故。查文华等[4]研究了 深埋特厚煤层大采高综放工作面的覆岩运动规律和 压支架选型。贾 ） ]研究 厚 层 岩 顶板变形失稳的模式。本文在上述研究的基础上， 以焦作煤业（ 集团） 有限 公司赵固一矿12051综 采工 为工程背景， 研究巨厚松散层条件下煤层 开采薄基岩变形及矿压显现， 可为类似地质条件下 工作面围岩控制提供依据。 1 工程概况 赵固一矿设计生产能力为240万 t/a，井田东西 长度约为15 km， 南 北 宽 度 为 2. 0〜5. 5 km。井田 采用立井开拓方式， 井 筒 深 度 约 为 608 m。井田上 覆第四系、 新近系松散层， 厚 度 为 366〜808 m， 平均 厚度为480 m。松散层以黏土、 砂质黏土为主， 中间 有多层砂 层 。矿井 1 煤层为近水 平厚煤层， 煤层上覆基岩层厚度为13. 9〜95. 5 m， 平均厚度为44. 8 m。 赵固一矿12051综采工作面北侧为采空区， 南 侧为实体煤， 开采二1 煤层的顶分层， 二1 煤层平均 厚 度 为 6. 3 m， 工作面平均采高为3. 5 m。工作面 长度为183 m， 工作面推进长度为1 369 m。工作面 的伪顶为泥岩， 厚 度 为 0. 1〜0. 4 m;直接顶以砂质 泥岩为主， 厚度为5. 3〜11. 7 m;基本顶由粗、 中、 细 粒砂岩组成， 厚 度 为 2. 1〜12. 3 m;直接底为泥岩、 砂质泥岩， 厚 度 为 13. 8〜15. 3 m。 2数值模拟 2.1 数 值计算 模 型 建立 依 赵固 矿 12051 工 地 质 件 计算 [68]， 如 图 1 所示。 向长度为 300 m， 垂直高度为110 m。模型底部和两侧施加位 移边界条件模型底部边界为固支边； 模型两侧边界 为简支边， 采用水平位移约束， 参照矿区有关试验报 告 ， 按照侧压系数为1.2施加水平应力。模型顶部 施加载荷边界条件， 顶板边界施加9. 2 MPa垂直均 布载荷 替 拟 厚 层的自重应力。 松散层19.0 m Z砂质泥岩17.5 m / 中粒砂岩 20.0 m /砂质泥岩 14.0 m / 中粒砂岩 9.0 m /砂质泥岩 8.0 m /二煤层6.5 m - 碰7砂质泥岩 14.0 m ’石灰岩2.0 m 图 1数值计算模型 Fig. 1 Numerical calculation model 依据矿井揭露煤岩层情况和有关地质报告[]， 中煤岩层力学参数， 见 表 1。 中岩体 破坏 用莫尔 ， 岩层层理 理等弱面变形特征符合 。 到 边界效应影响， 左 边 界 80 m 布 。工 位置向右侧方向连续 开采， 推进步距为5 m， 推进距离达到140 m 后工作 。利 用 UDEC 拟软件 计算， 研究工作面推进过程中 岩变形及矿压显现。 2.2 数 值 模 拟 结 果 分 析 2. 2. 1工作面上覆基岩变形特征 ， 随着 工 不断推进， 直接 2 0 1 8 年 第 8 期翟新 献 等 巨 厚 松 散 层 下 煤 层 开 采 薄 基 岩 变 形 及 矿 压 显 现 研 究.73 表1煤岩层力学参数 Table 1 Mechanical parameters of coal-rock strata 煤岩层 厚 度/m密 度 八kg m-3性 丨 /GPa 泊松比 抗 拉 强 度/MPa黏 聚 力/MPa 内摩擦角八 松散层 19. 01 650 2.00.350.30 0. 11 20 砂质泥岩 17. 52 600 16.00.463.501.2831 中粒砂岩 20. 02 760 20.00.595.202.5436 砂质泥岩14. 02 60015.00.463.501.2831 中粒砂岩 9. 02 700 18.00.594.602.5436 砂质泥岩 8. 02 600 14.00.463.501.3831 二1煤层6. 51 4002.00.351. 100.6422 砂质泥岩14. 02 56013. 00.403.201.2529 岩2.0 2 700 22.00.63 5. 60 2.5539 顶悬顶面积逐渐增加。下位砂质泥岩直接顶富含水 平 层 理 ， 随着工 而 随 采 随 冒 ， 形成垮 落带[ 1 0 - 11]。 当工作面推进距离为55 m 时 ， 下位中粒砂岩 基本顶初次失稳， 造成工作面初次来压;基本顶破断 下沉后与下位垮落带岩层 压实％ 区 上部岩层垂直位移急剧增大； 基本顶上部岩层开始 沿层理出现离层现象， 在剪应力的作用下产生与岩 层层理垂直或 生 ， 如 图 2 所示。 图2工作面推进距离为55 m时上覆基岩变形特征 Fig. 2 Deation characteristic of overlying bedrock when coal fcce advances 55 m 当工作面推进距离为70 m 时， 基本顶发生第1 次 周期来压， 破断岩块发生变形失稳， 形成台阶岩梁结 ， 次生 向上发展， 此时垮落带岩石充满 采空区， 垮落带高度基本趋于稳定， 如 图 3 所示。 当工作面推进距离为85 m 时， 基本顶出现第2 次 周期失稳， 采空区垮落带矸石压实后支撑上覆裂隙 带岩层， 裂隙带岩层变形趋于 ， 如 图 所示。 当工作面推进距离为10 m 时 ， 上位中粒砂岩 层出 落 ， 其 砂质泥岩 厚 层 发生随动变形， 如 图 5 所示。 图 2图 5 分析结果表明， 12051综米工作面初 图3工作面推进距离为70 m时上覆基岩变形特征 Fig. 3 Deation characteristic of overlying bedrock when coal face advances 70 m 图4工作面推进距离为85 m时上覆基岩变形特征 Fig. Deation characteristic of overlying bedrock when coal face advances 85 m 图5工作面推进距离为140 m时上覆基岩变形特征 Fig. 5 Deation characteristic of overlying bedrock when coal face advances 140 m 74 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 次来压步距为55 m， 周期来压步距为15 m;垮落带 高 度 为 12. 4 m， 垮 采 比 为 3. 54;裂隙带高度为 36. 7 m， 裂采比为10. 48。 2. 2. 2工作面前方支承压力特征 随 着 12051综采工作面的推进， 采空区上覆基 岩各层不断经历下沉变形、 弯曲离层、 断裂失稳等循 环过程， 采空区上覆基岩部分质量将向采空区周围 四周转移， 从而在工作面前方形成超前支承压力， 并 在采空区正上方出现卸压区。通常采用3 个基本参 数来表示工作面前方支承压力的分布特征[1214] ①最大应力集中系数， 即工作面前方支承压力峰值 与原岩垂直应力的比值； ② 塑 性 区 范 围 ， 即支承压 力峰值距煤壁距离； ③支承压力影响区范围。 不同推进距离时工作面前方支承压力如图6 所 示 。随着工作面推进距离的增加， 支承压力影响区 范围、 支承压力峰值和塑性区范围均增加； 随着距工 作面煤壁距离的增加， 支承压力逐渐增大， 到达峰值 后开始逐渐降低， 最后趋于原岩应力； 根据支承压力 大小， 可将前方支承压力影响区范围划分为应力增 高区、 应力降低区和原岩应力区3 个区域； 当工作面 推进距离超过55 m， 即基本顶初次来压后， 工作面 前方支承压力基本处于稳定状态， 其中原岩应力为 13. 8 MPa， 支承压力影响区范围为28. 0 m， 峰值应 力稳定在65. 6 MPa。 图 6不同推进距离时工作面前方支承压力 Fig. 6 Front abutment pressure of coal face with different advancing distances 最大应力集中系数和塑性区范围与工作面推进 距离的关系如图7 所示。随着工作面推进距离的增 加 ， 最大应力集中系数和塑性区范围与推进距离之 间呈正相关关系； 当工作面推进距离超过55 m， 即 基本顶初次来压后， 工作面前方支承压力趋于稳定， 主要表现为最大应力集中系数和塑性区范围基本保 持不变。 图 7最大应力集中系数和塑性区范围与 工作面推进距离的关系 Fig. 7 Relationship between the maximum stress concentration factor and plastic zone range and coal fcce advancing distance 3结论 1通过数值模拟12051综采工作面开采过程 中上覆基岩变形特征， 确定了工作面初次来压步距 为 55 m， 周 期 来 压 步 距 为 15 m; 夸落带高度为 12. 4 m，垮采比为3. 54;裂隙带高度为36. 7 m，裂采 比为10. 48。 “ 工作面前方支承压力与工作面推进距离有 关 。随着工作面推进距离的不断增加， 工作面前方 支承压力影响区范围、 支承压力峰值和塑性区范围 均增加； 当工作面推进距离超过55 m，即基本顶初 次来压后， 工作面前方支承压力处于稳定状态， 主要 表现为最大应力集中系数和塑性区范围基本保持 不变。 参 考 文 献 （ References [ 1 ]方 新 秋 ， 黄 汉 富 ， 金 桃 ， 等 . 厚 表 土 薄 基 岩 煤 层 综 放 开 采 矿 压 显 现 规 律[R ]采 矿 与 安 全 工 程 学 报，2007,24 3326-330. 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