场矿压显现规.pdf

第 2 6 卷第 2 期 2 0 0 6 年 6月 安徽理工大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f An h u i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Na t u r a l S c i e n c e Vo 1 ． 2 6 No ． 2 J u n ． 2 0 0 6 超薄基岩采场矿压显现规律与调控技术研究 吴玉华 皖北煤电集团公司 ， 安徽宿州 2 3 4 0 0 1 摘要 以皖北矿区厚含水松散层下超薄基岩开采工作面实测矿压资料与实验数据 为依据 ， 论 述 了超薄基岩工作面顶板的风化变异特征。首次提 出了厚含水松散层下超薄基岩开采工作面 无老 顶控 制关键层 、 无 自承能力， 有效导水裂隙带与冒落带基本一致以及静压大、 动压小， 移动 快、 变形大、 下沉大、 回缩压密快和破坏影响范围小等一系列变形移动破坏新特征 。 分析 了矿压 显现与覆岩破坏移动演化特征产生的机理 ， 着重阐述 了为确保在超薄基岩 内安全开采， 应加大 开采高度。采用“ 护一让结合” 以及实行“ 采空区滞后控水、 煤水分流、 物探预测、 地质弱面预先 加固” 等控制顶板与防止水患的调控技术保障措施。 突破 了水体下开采“ 降低并控制采高” 的开 采原则； 取得 了安全、 高效的开采效果。 关键词 超薄基岩} 覆岩破坏演化特征； 调控技术； 皖北矿区 中图分类号 TD3 2 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 一 l O 9 8 2 o o 6 o 2 一 o o 1 2 ． 0 5 I n V e s t i g a t i o n s i n t o S t r a t a B e h a v i o r s a n d t h e Ad j u s t i n g a n d Co n t r o l l i n g Te c h n o l o g y o f Ul t r a t h i n Be d r o c k W o r k i n g Fa c e W U YU hu a 【 W a n b e l Co a l a n d El e c t r i c P o we r Gr o u p , S u z h o u An h u i 2 3 4 0 0 1 t Ch i n a Ab s t r a c t B a s e d o n me a s u r e d r o c k p r e s s u r e a n d e x p e r i me n t a l d a t a u n d e r t h i c k wa t e r e d l o o s e b e d o f W a n b e i mi n i n g a r e a， d i mo r p h i s m a n d mu t a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f u l t r a t h i n b e d r o c k wo r k i n g f a c e r o o f a r e d i s c u s s e d ．Ne w d e f o r ma t i o n a n d mo v e me n t c h a r a c t e r i s t i c s o f r o o f a r e p u t f o r wa r d u n d e r t h i c k wa t e r e d l o o s e b e d ． M e c h a n i s m o f s t r a t a b e h a v i o r s a n d o v e r b u r d e n d e s t r o y e v o l v e me n t c h a r a c t e r i s t i c s a r e a n a l y z e d ．Th e a d j u s t i n g a n d c o n t r o l l i n g t e c h n o l o g y a n d me a s u r e s t o c o n t r o l r o o f a n d p r e v e n t wa t e r d i s a s t e r a r e p u t f o r wa r d ．Mi n i n g p r i n c i p l e s u n d e r wa t e r o f d e c r e a s i n g a n d c o n t r o l l i n g mi n i n g h e i g h t a r e b r o k e n t h r o u g h a n d s a f e a n d h i g h mi n i n g e f f e c t s a r e o b t a i n e d． Ke y wo r d su l t r a t h i n b e d r o c k} o v e r b u r d e n d e s t r o y e v o l v e me n t c h a r a c t e r i s t i c s} a d j u s t i n g a n d c o n t r o l l i n g t e c h n o l o g y； W an be i mi ni ng a r e a 问题 的提 出 安徽的两淮新 区， 主采煤层上方往往覆 盖有 1 3 0 “ - 4 0 0 m 的厚含水松散层 ， 原设计均留有 5 O - - - 8 0 m 的防水煤岩柱 ， 积压着大量的煤炭资源。 近几 年来， 随着“ 薄基岩内泥质类岩层具有阻水和抑制 导水裂隙带继续发展的双重作用” 等一系列新的移 动破坏特征被相继认识与掌握 ， 许多衰老矿井均将 防水煤柱缩小到 1 0 “ - - 3 0 m[ 1 - ‘ ] ， 开采原被列为表外 储量的超薄基岩内煤层， 极大地提高了矿井的经济 效益 。 但由于开采上限的提高 ， 基岩厚度极薄 煤岩 柱厚度小于 2 0 m， 下同 ， 开采 区域进入超薄基岩 收稿日期t 2 O O 6 一O 2 2 1 基金项且t 安徽省教育厅自然科学基金资助项 目 2 0 0 6 k j 0 0 1 B } 安徽省国土资源厅地质灾害治理资金资助项目 2 0 0 5 --1 0 8 5 作者简介 ； 吴玉华 1 9 6 3 -- ． 男， 安徽肥西 人． 高级工程师 ， 主要从事技术管理工作 。 1 2 维普资讯 第 2 期 吴玉华 超薄基岩采场矿压显现规律与调控技术研究 内， 工作面顶板岩层受底部含水层水环境和风化损 伤的共同影响 裂隙发育， 岩体强度衰减速度快 ； 结 构疏松 ， 胶结程度差 } 自稳性能与承载能力弱， 工作 面顶板管理难度增大 。因此， 常常发生工作面局部 冒顶导致的突水 、 溃砂而埋架、 埋人等重、 特大恶性 事故 ， 给 国家和企业造成重大经济损失 。 因此，研究薄基岩浅埋煤层长壁工 作面开采 引发 的水、土环境 问题 以及矿压显现与覆岩破坏 移动演化规律 ， 提 出合理 的对策和调控技术具有 重要意义。 2 试验工作面的采矿技术条件 试验工作面走向长 9 5 0 m， 倾斜宽 8 5 “1 2 0 m， 地层结构简单 ， 无大 的断裂构造 ， 地层倾角 3 O 。 ～ 6 O 。 ， 煤层厚度稳定 ， 在 2 ． 8 ～3 ． 0 m之 间， 平均 2 ． 8 m， 煤层较为坚硬， 单轴抗压强度9 ～1 3 MP a 。 工作 面直接顶为灰色砂质泥岩 ， 裂隙发育 ， 抗压强度为 1 1 ． 6 ～2 4 ． 6 MP a 。 其上为细粉砂岩， 厚度约3 ． 3 m， 其单轴抗压强度 9 ． 2 ～2 3 ． 1 MP a 。直接底为浅灰、 深灰色细砂岩为主 ， 强度为1 9 ． 3 MP a 。 浅部煤层顶 板 风化强烈， 基岩面往下 O ～1 0 m 范围内， 由于强 烈的氧化 作用 ， 使岩层 由原来的灰 黑色变为土黄 色， 且岩体破碎， 水蚀现象严重 ， 并被沉积粘土充填 ， 形成深度不一的封闭壳层。1 0 “ - - 2 5 m 范围内弱风 化 ， 岩石多呈浅灰或灰白色 ， 以裂隙发育为特征。风 化带内岩层多以风化泥岩 ， 细粉砂岩组成， 且多为泥 质、 钙质胶接。 工作面采用倾斜长壁布置 ， 采煤方法 为综放、 综采和炮采 ， 全部垮落法管理采空区。 工作面开采高度设计为 2 ． 6 m， 但在基岩最薄 处均控制在 2 ． 8 m 以上。 3 开采工作面上覆岩层变异特征 3 ． 1 分布特点与变异特征 根据皖北矿区百善、 任楼 、 刘桥 、 五沟 四矿 7 6 0 多个钻孔柱状资料统计， 薄基岩开采工作面均位于 风氧化带内， 而风化带垂 向分带明显， 可分为强风 化带、 弱风化带和微风化带 见表 1 。百善、任楼 、 刘桥、五沟四矿薄基岩开采实践表明 风化带内的 泥岩、 砂质泥岩 、 粉砂岩、中砂岩 ， 在风化营力和底 含水侵蚀的共 同作用下， 岩石的工程地质特性产生 了劣化和质变 ， 主要表现为 岩石强度降低 ， 结构 疏松 ， 胶结程度差 } 塑变能力增强 ，自身承载能力 变差 。 表 1 皖北矿区基岩风化带分布依据及基本特征 岩石力学性能实验得资料表明 ， 风化岩石的抗 压强度仅为未风化岩石的1 O “5 0 ， 且基岩厚度 越薄 ， 风化程度就越强， 岩石或岩体 的强度降低的 幅度也就越大。 百善矿风化顶板的电镜扫描和X光 衍射分析表明 见图 1 ， 顶板强风化岩层中的中细 砂岩和粉砂岩多为泥质胶结 ， 砂岩和泥岩中的粘土 矿物中高岭石和伊利石约占 6 O ～7 O 见表 2 ； 风化岩中的长石几乎全部高岭土化 ， 塑性指数增 大 ， 其抗变形破坏能力增强 ， 自身承载能力显著降 低。因而 ， 极易产生局部冒顶事故 。 1 3 维普资讯 安徽理工大学学报 自然科学版 第 2 6卷 风化岩体 a 图 1 风化岩 层电镜扫描 图 非风化岩体 b 表 2 岩石矿物组分与微组构特征 3 ． 2 亲水能力和软化系数 采的最典型顶板变异特征。 试验研究表 明， 无老顶开采工作面岩石的饱和 吸水量多在8 9 ， 6 以上 ， 最高达5 2 9 ， 6 ， 水分极易进入岩 石 内部 ， 其膨胀率都在 5 0 以上 ， 不仅使岩体本身 抗压强度显著降低， 且距离直接顶越远， 降低的幅 度越大并能产生强大 的膨胀力。 故 亲水能力强 ， 软 化系数低 ， 给工作面的顶板护理和支架的钻底维护 带来了较大 的困难 。 3 ． 3 无关键层 由于基岩极薄 ， 开采煤层顶板与上覆岩层全 由 风化软弱 、 极软弱岩层组成 ， 不存在控制上覆岩层 运动的关键坚硬岩层即老顶 ， 是超薄基岩 内煤层开 1 4 4 覆岩移动演化特征 根据百善煤矿 6 8 1 3 、 6 5 2 6和任楼煤矿 7 2 1 2综 放面矿压与覆岩破坏观测资料的分析整理， 进入超 薄基岩 内开采无老顶工作面其矿压显现具有如下 特征 。 1 静压大 ， 动压小 主要表 现为综采工作面 经常发生综采支架立柱开裂 ， 底座开焊现象 ； 炮采 工作面经常发 生单体支柱炸缸断柱现象 ； 动压小 ， 动载系数小 ， 多在 1 ． 1 5之内， 且工作面中部压力大 于两端 见表3和图2 。 但矿压显现较为明显 ， 主要 表现为端面冒顶、 煤壁片帮现象较为严重 。 维普资讯 第 2 期 吴玉华 超薄基岩采场矿压显现规律与调控技术研究 支 架 编号 图2 6 8 1 3工作面非来压期间压力分布实测图 表3 百善煤矿矿山压力显现参数与强度对比表 注 6 8 1 3 综采 、 6 5 2 6炮采为进入风氧化带开采的无老顶工作面 ； 6 7 5炮采为有老顶的正常工作面 。 2 直接顶初次垮落与老顶来压步距大幅度 降低采动裂隙导水和透砂能力明显减弱， 据观测来 压步距减小2 O ～4 O ， 老顶岩层影响的剧烈程度 减轻， 工作面来压强度相应降低； 煤层顶板砂岩原 生裂隙及富水性减弱； 采区淋水及采空区涌水大大 减小， 以致基本消失 见表4和表5 。 观测结果还表 明 在覆岩结构 、 性质等条件类同情况下， 缩小防护 煤柱开采的超薄基岩工作面的冒高和裂高与顶板 岩层正常的工作面相 比， 分别减少了6 5 ～6 7 和 5 7 ～6 6 ； 同时垮落裂缝 的发育程度和连通、 导 水性随之减弱， 不具透砂、 透泥和大量透水能力 。 百 善煤矿在超薄基岩 内开采的 6 6 4 、 6 4 9和 6 8 1 3 工作 面其垮落带高度仅为采高的0 ． 5 5 ～O ． 8 2倍。缩小 防护煤 柱开采 后， 由于顶板软弱岩 层的抗裂能 力 强 ， 特别是当裂缝带发展到强风化带以上的泥岩和 砂质泥岩时， 由于其抗裂能力更强， 裂缝不易产生。 表 4 来 压步距 比较 m 表 5 来压时支架平均阻力比较 k N／ 架 3 上覆岩层 移动速度快， 变形量大 ， 回缩压 密快 ， 地表下沉量大 。 实测资料表明 缩小防护煤柱 开采的工作面 ， 上覆岩层破坏移动速度极快 ， 变形 量较大， 下沉大， 采后被压密、 弥合也快； 冒落带内 岩层块度较小； 岩层与岩层之间的开裂程度大幅度 降低 ， 连通性较差 。“ 两带” 高度观测钻孔的冲洗液 消耗量 ， 并非都是连片的漏失段 ， 也并非呈现 由下 而上 ， 漏水量由大到小的递减趋势 。有时是连片漏 水段 ， 也有许多不连续段 ； 有时是下段漏水量大 ， 上 段小的正常状态， 也有反之[ 5 ] 。 4 煤岩柱厚度与基岩厚度是影 响导水裂 隙 带发育高度的主要因素。由观测资料可知 影响导 水裂隙带发育高度的最主要因素是煤岩柱厚度 ， 即 煤岩柱高度越小 ， 垮落带和导水裂隙带高度发育越 低； 同时， 与风化程度也有密切关系 ， 强风化岩层， 垮落带和导水裂隙带高度发育较小。 5 工作面底板有底臌现象。 尤其是煤层顶板 原生裂隙较为发育 ， 底板是泥岩 ， 在老顶来压 ， 工作 面出现淋滴水时表现得更为明显 。 6 工作面支柱载荷增大。由于顶板岩层强度 较低 ， 胶结程度差 ， 自身承载能力较差， 上覆岩层的 重量均转移到支架上 ， 因此 ， 支柱的载荷值也相应 的增加。故静压较大 。 5 产生的原因与机理 大量勘测和室内试验表明， 煤层老顶及其上覆 岩层， 泥岩、 粉砂质泥岩和泥质粉砂岩约 占8 O ～ 9 O ， 岩性极软弱或软弱 ， 少量砂岩间夹其中。 8个 1 5 维普资讯 安徽理工大学学报 自然科学版 第 2 6卷 测试工作面， 又是提高上限、 采用倾斜长壁俯斜推 进回采的工作面 ， 从切眼开始的观测地段 ， 上覆岩 层全为风化基岩 ， 强度较低， 塑性较大 ， 多趋泥化， 为典型的风化软弱岩层 。在此情况下 ， 老顶很容易 弯曲下沉 冒落 ， 岩块较小， 杂乱堆积， 初始碎胀系数 大 ， 充满采空 区， 能在一 定程度上减少上覆岩层的 下压幅度和断裂破坏程度 ； 上覆岩层便随老顶冒落 扰曲下沉 ， 其断裂破坏高度和跨度较小。基岩上覆 的厚松散层 ， 随老顶下压逐次弯曲下沉 ， 岩层重量 可及时、 均匀地转移到工作面后方支承体上。 于是 ， 老顶及其上覆岩层施加给采场及煤壁前方的压力 就 比较小 ， 工作面来 压显现便较弱 ， 来压步距也较 小 。由此可见， 进入超薄基岩内开采工作面来压强 度低、 来压步距小影响范 围不大， 主要是 由于煤层 顶板以及上覆岩层以泥质类比较软弱和软弱岩层 为主组成这一特 定条件决定的。 也是上述特定的矿 压显现破坏演化特征的原因与机理所在。 6 安全开采的调控技术 由于进入超薄基岩开采 的工作面煤岩柱尺寸 的减少 ， 其上段或全部处于风化带 内， 岩石或岩体 的力学强度降低 ， 且顶板破碎 ， “ 漏顶” 现象经常发 生， 顶板管理难 度大 ； 工作面推进速度慢等诸多 问 题 。通过反复实践 ， 采取如下调控措施行之有效 。 1 加大开采高度 ， 超薄基岩煤层开采其上覆 岩层全 由软弱岩 层组成 ， 自身承载能力极差 ， 且具 有下沉量大 ， 移动速度快和超薄基岩 内开采采高对 导水裂隙带高度的影响较小等特点 ， 因此适当加大 开采高度， 给综采支架和单体支柱以足够 回缩量 ， 否则综采支架和单体支柱极容易被压死 ， 影响推进 速度 ， 造成局部冒顶而突水溃砂。在基岩较薄处或 存在构造软弱面时采用“ 护一让结合” 的方式。 试验 表明 综采工作面采高应控制在 2 ． 8 m 以上 ， 炮采 工作面采高应控制在 2 ． 5 m 以上。 2 改 革巷道布 置方式 ， 实行采 空 区滞后控 水 ， 煤水分流 ， 切实防止顶板岩层非均衡破坏 、 局部 抽 冒和 向采场大量泄水 。 其中， 在巷道布置方式上 ， 根据控放水原理先采条件简单的覆岩厚度较大的 煤层， 后采条件复杂的薄基岩煤层 即实行上行式 开采 和将机巷布置在上， 风巷布置在下， 实行煤水 分流的方法 ， 是一项行之有效的安全技术措施。 3 物探预测， 地质弱面预先加固。在工作面 形成以后 ， 采用无线电坑透仪和瞬变 电磁进行 C T 透视扫描 ， 发现地质弱面和富水的部位 ， 采用预先 注浆加固 、 提前疏放 ， 或预先备足加固抢险材料， 防 1 6 止局部冒顶， 发生突水溃砂事故。 4 提高支架初撑力。 从顶板的运动机理分析 可知 ， 无老顶开采工作面 ， 之所以发生煤壁片帮端 面冒顶等现象， 均是由于岩体 自身承载能力差和支 护系统刚度不够 ， 顶板下沉量过大。正是 由于顶板 下沉量过大 ， 才使得煤体支撑顶板的极限平衡区向 深部前移 ， 从而使煤壁片帮加剧 ， 端面 冒落 。因此 ， 在进行工作面支护设计时， 应选用强初撑 ， 高 阻力 的高性能支架。 7 认识与结论 1 超薄基岩 内开采工作面上覆岩层受风化 损伤的影响， 岩体的力学性质和水理性能发生了质 的变化 。即 胶结程度差 ； 岩性变软 ； 强度大幅度降 低 ； 煤层上覆无控制顶板运动 的关键岩层； 且岩体 的自身承载能力较差 。 2 超薄基岩内开采工作面矿压显现特点为 静压大 ； 动压小 ； 初次来压和周期来压步距小； 顶板 下沉量大 ； 端面容易冒落 。 3 覆岩移动破坏特征为 移动快、 变形大、 回 缩快和压实压密快 ； 且无连通性极好的冒落带 ， 有 效导水裂隙带高度与冒落带基本一致 ， 突水溃砂能 力 较弱 。 4 实现超薄工作面安全开采的调控技术为 加强护顶 ； 加大开采高度 ； 提高初撑力； 改革巷道布 置方案 ， 实行采空 区滞 后控水 ， 煤水分流 ； 物探预 测 ， 地质弱面预先加固。 参考文献 [ 1 ] 吴玉华， 于进广， 杨本水． 砾石含水层下留设防砂煤柱开采 的试验与研究[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 0 2 ， 2 7 4 ； 9 1 1 ． [ 2 ] 杨本水， 段文进． 风氧化带内煤层安全开采关键技术 的研究[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 0 3 ， 2 8 6 6 o 8 6 1 2 ． [ 3 ] 杨本水， 王广军， 梁广龄． 综放工作面缩小防水煤柱的可 行性研究[ J ] ． 煤田地质与勘探， 2 0 0 0 ， 3 3 1 4 2 4 6 ． [ 4 ] 安徽理工大学 ， 百善煤矿． 风氧化带内煤层安全开采 技 术试验研究总结报告F R] ． 淮南 安徽理工大学， 20 02 ． [ 5 ] 王永红， 沈文．中国煤矿水患预防及治理[ M] ． 北京 煤 炭工 业出版社 ， 1 9 9 6 ． [ 6 ] 宣以琼．风化岩体的损伤属性与缩小防护煤柱机理 [ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 5 ， 2 4 1 2 2 8 4 2 2 845 ． [ 7 ] 国家煤炭工业局．建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤 柱留设与压煤开采规程[ M] ． 北京 煤炭工业出版社， 20 00 ． 维普资讯