大倾角工作面的倾角对矿压显现影响分析.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 -1- 大倾角工作面的倾角对矿压显现影响分析大倾角工作面的倾角对矿压显现影响分析 温耀军, 张弛，金志远，王晓溪，程敬义 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，矿业工程学院，江苏徐州（221008） E-mailwyj20060904 摘摘 要要为研究大倾角工作面的倾角对矿压显现的影响，根据新集二矿 E1108 工作面地质条 件，对工作面的倾角对矿压显现的影响进行了实测分析和理论分析，运用 UDEC 数值模拟 软件建立了倾向分析模型， 对倾向大角度开采时的岩移规律及围岩应力进行了模拟计算。 结 果表明， 大倾角工作面上覆岩层位移破断特征及围岩应力分布等均呈现与近水平或缓倾斜煤 层不同的特殊规律。研究结果为 E1108 工作面回采及相似条件下的开采实践提供了科学依 据。 关键词关键词大倾角工作面；围岩应力；岩层移动 中图分类号中图分类号TD823 1 工程概况工程概况 E1108 工作面位于新集二矿-550m 开采水平东翼采区，井下标高-464.9-607.0m，工作 面走向长度 944935m，平均 940m，倾斜长度拐点以里为 110m，拐点以外 127m。工作面 开采煤层为 11-2 煤，煤层为三层煤两层夹矸的结构，厚度 2.23.6m，平均厚度 2.83m。煤 层直接顶为泥岩，老顶岩层由下向上依次为细砂岩、薄煤层、泥岩、砂质泥岩等，煤层直接 底为泥岩，老底是细砂岩。煤层倾角 1045，平均 32。 2 工作面倾角对矿压显现的影响分析工作面倾角对矿压显现的影响分析 E1108 工作面大倾角回采期间矿压规律观测时间为 2009 年 8 月 7 日至 2009 年 10 月 4 日，期间风巷侧至开切眼距离由 220m推至 248.5m，累计推进 28.5m；机巷侧至开切眼距离 由 350m 推至 403m，累计推进 53m，由于转采及断层的影响，工作面在此期间推进较慢。 期间工作面倾角最小 31、最大 45、平均 38，机巷侧倾角（3138）较小，风巷侧倾角 （3245） 。 2.1 工作面倾角对矿压显现的影响实测分析工作面倾角对矿压显现的影响实测分析 2009 年 8 月 7 日至 2009 年 10 月 4 日 E1108 工作面位于大倾角回采区域，工作面倾角 普遍增大（见表 1） ，最大达 45，倾角的增大对工作面安全回采及保证回采产量带来了较大 影响。 表 1 工作面倾角角变化 Table 1 Changes of inclination angle on mining coal face 不同部位倾角/ 日期 10 20 30 40 50 60 70 风巷至切眼 /m 机巷至切眼 /m 09.08.07 35 35 38 39 39 40/41 389 395 09.08.13 33 35 35 37 44 43/45 393 402 09.08.18 35 35 34 38 41 43 42 396.5 410 09.08.25 37 38 38 36 39 40 43 403 419 09.08.31 38 35 36 38 39 39 40 404 424 09.09.04 35 33 34 36 38 38 39 408 428 中国中国科技论文在线科技论文在线 -2- 09.09.15 34 34 36 38 38 38 38 412 435 09.09.25 38 37 39 39 37 32 32 413 440 09.09.28 35 36 39 36 37 36 33 415 448 09.09.30 32 32 39 39 39 37 35 416 446 09.10.01 31 31 36 40 40 37 35 416.5 447 09.10.04 31 34 40 42 40 39 35 417.5 448 为了分析大倾角工作面矿压显现规律， 尤其是在倾向方向的分布特点， 选取不同时间支 架初撑力及工作阻力绘制曲线，如图 1 所示。 分析可知，大倾角回采期间，工作面矿压现规律有以下特点 ① 大倾角回采时，沿工作面倾向矿压显现一般为中部偏上最大，上部次之，下部较小。 ② 工作面老顶岩层具有明显的活动规律，但由于大倾角工作面冒矸形成上虚下实的状 态， 因而对顶板的支撑作用下方大于上方， 使周期来压步距沿工作面倾斜方向有明显的分段 特征。表现工作面上部老顶来压比下部早，老顶来压时的强度比工作面下部大。故对上部支 架的支撑力要求更高。 ③ 大倾角煤层采场顶板岩层的运动决定了采场矿压显现的特点，倾角决定了上覆岩层 在运动中更易形成倾斜“砌体板”结构。结构中“关键块”位于采场倾斜上段“关键块”的 位置及其随采场推进而下沉运动使结构平衡破坏，并决定了采场顶板来压的特征。 a 8 月 11 日 b 8 月 18 日 c 8 月 24 日 d 9 月 14 日 图 1 工作面倾向方向支架初撑力与工作阻力的分布 Fig. 1 The Distribution of setting pressure and support resistance at tilting direction of mining coal face 中国中国科技论文在线科技论文在线 -3- 2.2 工作面倾角对矿压显现的影响理论分析工作面倾角对矿压显现的影响理论分析 煤层倾角对回采工作面的矿山压力显现的影响是很大的。 随着煤层倾角的增加， 顶板下 沉量将逐渐变小。假设上覆岩层的重量 W，如图 2 所示，由于倾角增大，必然使沿岩层面 的切向滑移力 Q 增大，而使作用于层面的垂直压力 P 减小。另外，由于倾角增加，采空区 顶板冒落的矸石不一定能在原地留住， 很可能沿着底板滑移， 从而改变了上覆岩层的运动规 律。采空区内冒落矸石的滑移不仅与倾角有关，而且还与 h/m 的比值有关（h 为岩层厚度， m 为采高） 。 P W Q α 图 2 倾角对矿山压力的影响 Fig. 2 The influence of inclination angle on ground pressure 由于冒落岩块的滑移，使采空区形成了如图 3 所示的情况，即下部充填较满，而上部却 形成冒空。这样必然使回采工作面支架受力不均匀。 机巷 风巷 图 3 采空区冒落矸石的滑移 Fig. 3 Slippage of caved gangue at mined-out area 大倾角煤层直接顶岩层的运动形式直接影响其上覆岩层的运动， 由于上覆岩层在倾斜方 向上受到的支撑作用不同， 从而导致直接顶上覆岩层运动在该方向呈现时空上的差异。 大倾 角煤层采场直接顶上覆坚硬岩层在采空区上方形成“砌体梁”结构。由于倾角的影响，不但 在走向上形成砌体结构， 而且在倾斜方向上也比缓倾斜煤层更容易形成块体铰接结构。 随着 工作面的推进， 顶板岩层在走向和倾斜方向上形成的结构组成了采场上覆岩层的 “大结构” 。 开采中冒落的顶板破断岩块向下滚落， 形成采空区沿倾斜下实上空的充填特征， 改变了老顶 的支撑条件， 使老顶破断后下部板块的稳运动首先受到限制， 造成上覆岩层的运动与破坏在 时间和空间上均表现出不同步，工作面来压也经常是中上部先于下部，来压强度也是如此。 层向分力的出现虽然不能改变顶板最大下沉点的位置，但是却改变了梁（薄板）的受力 状态，在梁（薄板）的下端作用了一个附加的压应力，而在梁（薄板）的上端增加了一个附 加的拉应力。因此，对于倾角最大达 45的 E1108 工作面顶板的破断比缓倾斜煤层要复杂的 多，是一个复杂的板块相互铰接系统，板块的主结构是沿倾斜方向的铰接。工作面回采沿走 向推进， 老顶随之周期性破断， 最终又形成沿走向方向的铰接结构， 又是一个复杂运动过程。 中国中国科技论文在线科技论文在线 -4- E1108 工作面回采过程中破断岩块之间形成的沿倾斜的铰接结构，系统才是稳定的。支架载 荷与这一结构形成过程的运动方向有关。 3 工作面倾角对矿压显现影响的数值模拟分析工作面倾角对矿压显现影响的数值模拟分析 依据 E1108 岩层综合柱状图建立 UDEC 倾向模型，倾向模型中 E1108 工作面倾角 30， 倾斜长 115m，回风顺槽位于 X250m煤层处，进风顺槽位于 X350m 煤层处。工作面开挖 后布置在煤层上方不同高度的监测线位移变化如图 4 所示。 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 050 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 X /m 垂直位移/m 煤层上方8m 煤层上方40m 煤层上方65m a 垂直位移示意图 -0.10 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 050 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 X/m 垂直位移/m 煤层上方8m 煤层上方40m 煤层上方65m b 水平位移示意图 图 4 倾向模型监测线位移图 Fig. 4 Displacement diagram of monitoring line on propensity model 由图 4 可知， 倾斜煤层开采过程中， 支架上方的岩层产生了水平位移与垂直位移的复合 运动。从垂直位移看，整个工作面具有不对称特征，具体表现为越接近工作面上端头垂直位 移量越大，而越接近工作面下端头则垂直位移量越小。从水平位移来看，整个工作面的水平 位移亦呈不对称性，大都向采空区空间运动。从老顶岩层的水平位移图可以看出，愈往上发 展岩层的水平位移愈不明显。 煤层开采后，工作面围岩的垂直应力分布如图 5 所示，水平应力分布如图 6 所示。由图 可知， 工作面上侧煤柱内的垂直应力要大于下侧且上端头顶板内垂直应力较集中。 这说明倾 斜工作面上端支架载荷要大于工作面其他区段， 应特别注意加强支护， 保证足够的支架初撑 力及工作阻力。 工作面上端头顶板水平应力小于工作面下端头顶板水平应力， 而在底板中的水平应力大 小恰好与顶板相反。 水平应力在上端头右下方底板和下端头左上方帮部都较集中。 这说明工 作面下区段顶板在水平应力的作用下更趋于稳定，而工作面上区段更容易发生冒顶片帮现 象， 另外由于上端头底板中的水平应力明显大于下端头， 也说明工作面上端头更容易发生底 鼓现象。所以倾斜工作面上端头要着重底板管理，下端头要着重顶板管理。 中国中国科技论文在线科技论文在线 -5- 图 5 工作面围岩垂直应力分布示意图 Fig. 5 Figures of surrounding rock vertical stress distribution at mining coal face 图 6 工作面围岩水平应力分布示意图 Fig. 6 Figures of surrounding rock level stress distribution at mining coal face 4 结论结论 煤层倾角对回采工作面上覆岩层运动及围岩应力的影响比较大， 大倾角回采时， 顶板岩 层在走向和倾斜方向上形成的结构组成了采场上覆岩层的“大结构”，倾角决定了上覆岩层 在运动中更易形成倾斜“砌体板”结构，工作面冒矸形成上虚下实的状态，因而对顶板的支 撑作用下方大于上方， 使周期来压步距沿工作面倾斜方向有明显的分段特征， 工作面上部老 顶来压比下部早，支架工作阻力一般为中部偏上最大，上部次之，下部较小。 中国中国科技论文在线科技论文在线 -6- 参考文献参考文献 [1] 钱鸣高,石平五. 矿山压力与岩层控制[M]. 徐州中国矿业大学出版社,2003. 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It simulation calculated the terrane movement pattern and stress of surrounding rock of propensity large angle mining. It turned out that the characteristics of overlying rock movement and stress of surrounding rock under deep dip angle mining coal face condition all take on special patterns different from exploiting horizontal and gentle dip coal seams. The findings provide scientific proof to E1108 coal face quarrying and mining practice under similar conditions. Key words deep dip angle mining coal face；stress of surrounding rock；terrane movement 作者简介作者简介温耀军（1985 ） ，男，中国矿业大学硕士研究生，主要从事矿山压力与岩层控 制方面的学习与研究工作，E-mailwyj20060904。。 中国中国科技论文在线科技论文在线