浅埋煤层长壁工作面矿压显现规律现场监测研究.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 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 浅埋煤层长壁工作面矿压显现规律现场浅埋煤层长壁工作面矿压显现规律现场 监测研究监测研究 任建喜* 基金项目陕西省教育厅科研计划资助项目资助（2010JK667），高等学校博士学科点专项科研基金资助 （20096121110004） 作者简介任建喜，（1968-），男，博士，教授，陕西西安人，1990 年本科毕业于西安矿业学院，主要从 事岩土工程方面的教学和科研工作. E-mail gbl8001 （西安科技大学建筑与土木工程学院，西安 710054） 5 摘要摘要浅埋条件下的煤层开采，受上覆岩层移动影响而呈现与深埋煤层明显不同的特征。本 文以神府矿区某矿 1301 工作面矿压观测为工程背景依托，应用“三量法”对工作面矿压显 现规律进行研究，以工作面三个测区支架荷载和活柱下缩量为重点分析。研究表明该工作 面来压动载系数为 1.51.6，来压期间支架压力比平时大 113MPa；初次来压持续时间长， 初次来压步距在 55.956.3m，三个测区的周期来压步距为 14.617.6m；且三个测区观测表10 明中测区由于受工作面两侧煤壁影响较小，矿压显现程度同上下测区比较明显。 关键词关键词浅埋煤层；长壁综采工作面；矿压显现规律；现场观测 Research on behavior law of mine pressure of long-wall face in shallow seam with in-situ monitoring 15 REN Jianxi School of Architecture and Civil Engineering , Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054 Abstract Seam mining in shallow condition, it affected by overlying strata movement shows obviously different characteristics with deep seam. Based on mineral pressure observation of 1301 20 mining face in one coal mine of shenfu mining area, the behavior law of mine pressure was studied with “three measuring ” . Support loading and descending amount of piston were detailedly analyzed. The results show that the dynamic load coefficient of this working face is between 1.5 and 1.6. When periodic roof pressure occurred supporter pressure roof pressure is 1MPa to 13MPa bigger than usual time. First roof pressure is 55.9m to 56.3m and periodic roof 25 pressure length is 14.6m to 17.6m. Mine pressure strength of middle test area affected by both sides coal wall is strongest. Keywords shallow seam; long-wall combined-mining face; behavior law of mine pressure; in-situ monitoring 30 0 引言引言 近年来， 内蒙与陕北大部分新建矿井的煤层开采条件都属于浅埋开采， 且煤层赋存条件 简单，煤层厚度大。浅埋煤层一般定义为埋深不超过 150m，基载比小于 1，顶板体现单一 主关键层结构特征， 来压具有明显动载现象[1]。 为了提高生产效率， 大部分矿井采用大采高、 超长壁的综采开采方法。 浅埋条件下， 这种高效开采方法的工作面引起的上覆岩层移动与传35 统“三带”不同，常缺失弯曲下沉带，采场顶板垮落出现整体切落，使得工作面采场安全控 制成为浅埋长壁开采的关键问题之一[24]。研究工作面矿压显现规律是保持采场安全的重要 技术措施， 同时可以为合理安排开采顺序、 开采方法和确定预留安全煤柱提供科学决策依据 [59]。本文依托神府煤田某矿浅埋长壁开采工作面工程背景，进行矿压观测，依据观测结果 从工作面走向和倾向两个方面进行分析，得到该工程背景下的矿压显现规律。 40 - 2 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 1 工作面概况工作面概况 1301 工作面是该矿一采区的首采工作面，工作面走向长 2400m，倾向长 300m。煤层地 质构造简单，煤层厚度2.99～5.55m，平均 3.9m，为单一稳定可采煤层；煤层产状沿工 作面推采方向，煤层总体呈水平，倾角 1左右，局部呈现波状起伏状态，煤层埋深为 50～ 170m。采用综采方式开采，采高 3.5m。埋藏浅的地段容易引起地面塌陷、地裂缝等地表变45 形及采煤容易出现的裂缝；容易出现的塌坑、洞、塌陷台阶；井下容易形成导水通道的地表 变形。在工作面胶运顺槽 1828～1860m段沿顶板有原始冲刷带（为砂岩），最厚处约 2.2m。 在 1301 工作面 1100～1400m处恰好为地表沟壑处。在地表局部（在工作面走向方向，距离 切眼约 40m处和 1700m 处）基岩裸露处裂隙发育明显，导水裂隙带很可能发育到该处。工 作面上部地表为黄土梁峁丘陵地貌，沟壑纵横，坎陡沟深，冲沟发育，局部基岩裸露，有居50 民。煤层顶底板条件如表 1 示。 表 1 煤层顶底板情况表 Table 1 The conditions of coal Seam Roof and floor 名 称 岩石名称 厚度/m 特 征 老顶 粉砂岩、中细砂岩 14.3-21.54 多为灰色、灰白色粉砂岩，以长石、石英为主，分选较好，次棱角状水 平层理，局部见交错层理，含植物化石；细粒长石砂岩。 直接顶 细粒砂岩 0-6.2 灰色，石英、长石为主，完整性中等。 伪 顶 炭质泥岩、泥质粉 砂岩 0.0-0.5 局部，深灰色，夹薄煤线及炭质泥岩薄层，含植物根化石；泥质粉砂岩， 完整性中等。 直接底 粉砂岩及泥岩 0.55-3.1 局部，深灰色，灰色的粉砂岩，层理发育；炭质泥岩薄层，含植物根化 石。 老底 粉砂岩 5.4-8.1 灰色、深灰色，层理不发育，局部夹有砂质泥岩。 55 2 矿压观测方案矿压观测方案 综采工作面矿压观测项目主要有顶底板移近量观测、活柱下缩量观测、支柱载荷量观 测、顶板状况统计观测、上覆岩层移动状况观测、围岩支承压力分布观测等。其中前三个观 测项目一般称为“三量”[1011]观测，是采煤工作面矿压观测的核心。“三量”是衡量矿压显现的 十分重要的指标， 例如顶板下沉可以反映工作面顶板状况好坏， 下沉速度可以反映工作面顶60 板来压的高峰状态。1301 综采工作面矿压观测采用“三量”法方案，测区侧线布置采用“三 区五线”，即在工作面布置三个观测区，分别为上测区、中测区及下测区，每个测区布设五 条测线， 对其进行重点观测。 该 1301 工作面共配备了 173 架郑煤机生产的掩护式液压支架， 支架型号 ZYT10000/23/45D， 中心距 1750mm，初撑力 7917kN。最终确定 上测区为 15 19 架，中测区为 8589 架，下测区为 156160 架。工作面采用双向割煤方式，往返一次割两65 刀。测区布置图如图 1 示。 上测区 中测区 下测区 推进方向推进方向 回 风 顺 槽 胶 运 顺 槽 图1 测区布置示意图 Figure 1 The layout diagram of measurement area 70 - 3 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 3 观测结果分析观测结果分析 3.1 矿压显现规律分析判据矿压显现规律分析判据 从三个方面分析矿压显现规律显现程度、来压步距及来压强度。矿压显现程度，从定 性与定量两方面综合反映，包括支架柱工作阻力、顶底板移近量、顶板破碎度、活柱下 缩量及片帮深度等项目，判断来压显现程度。 75 来压步距利用活柱下缩量及支柱架工作阻力可初步判定，再参考煤壁片帮情况，裸顶 处矸石冒落及裸顶处顶板破碎情况进行判断。以式3.1作为来压判据 pM PPσ21 3.1 来压显现强利用动载系数 D K作为衡量的标准，如式（3.2）。 平 老 P P KD 3.2 80 式中 M P-判定老顶来压的工作阻力（来压判据），MPa；P-观测期间全部支架时间 加权工作阻力平均值，MPa； Ρ σ-全部支架时间加权工作阻力均方差，MPa； 老 P-老顶周期 来压期间支架平均工作阻力，MPa； 平 P-老顶非周期来压期间支架平均工作阻力，MPa。 3.2 观测结果分析观测结果分析 1 强度判据分析 85 分别选取 0.5、1.0 和 1.5 三个系数，应用式3.1和式3.2对各测区来压强度分析如表 2 示 表2 各测区来压强度判据单位MPa Table 2 The criterion of the ground pressure strength of each measurement area 90 上 测 区 中 测 区 下 测 区 PMPa p σ MPa PMPa p σ MPa PMPa p σ MPa 测 区 判 据 31.37 6.01 30.30 7.34 32.44 5.72 p Pσ5 . 0 MPa 34.38 33.97 35.30 p Pσ0 . 1 MPa 37.38 37.64 38.16 p Pσ5 . 1 MPa 40.39 41.31 41.02 动载系数 D K 1.54 1.60 1.52 2 测区初次来压和周期来压分析 以布置的三个测区的五条侧线的观测结果为分析对象， 应用活柱下缩量和支架荷载作为 分析指标；将三个测区的五条侧线的平均值和最大制作为特征线，绘制结果如图 2 至图 4 示。 95 - 4 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 0 10 20 30 40 0 3.4 4.6 15.15 25.1 40.6 55.9 56.3 68.8 83.2 98.3 108.9 119.1 127.1 137.4 149.1 距切眼距离/m 活柱下缩量/mm 活柱下缩量平均值活柱下缩量最大值 b 活柱下缩量 图2 上测区观测结果特征图 Figure 2 The characteristic graph of the observation results of the above measurement area 100 图 2 表明上测区工作面推进到 56.3m时，工作面液压支架荷载压力出现峰值，活柱下 缩量增大。支架荷载平均压力值为 35.6MPa，最大压力值为 39.2MPa，活柱下缩量平均值为 30.7mm，最大达到 33.8mm。同时，片帮严重，采空区有顶板冒落的轰隆声，顶板出现裂隙， 回风巷压力表、收敛及离层监测值明显增大。据此，确定工作面上测区初次来压，老顶初次105 来压步距为 56.3m。随后工作面推进到 83.2m时，上测区液压支架荷载压力再次出现峰值， 活柱下缩量增大， 伴有片帮、 顶板破碎， 顶板有断裂声响并垮落， 超前单体支柱压力升高等。 确定工作面上测区顶板第一次周期来压，老顶的第一次周期来压步距为 26.9m。随着工作面 分别推进到 98.3m、115.9m、130.5m及 145.5m时，出现了明显的来压现象，工作面老顶出 现了第二、三、四及五次周期来压，来压步距分别为15.1m、17.6m、14.6m、15m。 110 115 0 10 20 30 40 50 0.0 3.4 4.6 15.2 25.1 40.6 55.9 56.3 68.8 83.2 98.3 108.9 119.1 127.1 137.4 149.1 距切眼距离/m 液压支架荷载/MPa 液压支架荷载平均值液压支架荷载最大值来压判据 a 支架荷载 0 10 20 30 40 50 0.0 4.2 5.4 14.4 23.0 34.8 54.9 55.9 77.2 92.6 106.5 119.7 130.9 144.2 152.5 距切眼距离/m 液压支架荷载/MPa 液压支架荷载平均值液压支架荷载最大值来压判据 a - 5 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 0 10 20 30 40 0.0 4.2 5.4 14.4 23.0 34.8 54.9 55.9 77.2 92.6 106.5 119.7 130.9 144.2 152.5 距切眼距离/m 活柱下缩量/mm 活柱下缩量平均值活柱下缩量最大值 b 活柱下缩量 图3 中测区观测结果特征图 Figure 3 The characteristic graph of the observation results of the middle measurement area 120 图 3 表明工作面推进到大约 34.8m 时，直接顶开始垮落，即直接顶极限垮落步距在 34.8m。当工作面推进到大约 55.9m 时，老顶开始垮落，即初次来压步距在 55.9m。中测区 支架荷载压力值及活柱下缩量较前一天明显增大，支架的平均压力为 36.2MPa，峰值压力达 到 39.5MPa；平均活柱下缩量为 31.5mm，最大活柱下缩量达 34.3mm。同时，顶板淋水量较125 增大、顶板有断裂声响、片帮现象严重，片帮最大处达 300mm。工作面推进至 81.3m 时， 第一次周期来压出现。由于中部测区受两端煤壁及开采情况影响较小，其矿压显现明显、显 现强烈， 第一次周期来压步距为 25.4m。 随着工作面的继续推进， 分别推进到 98.0m、 115.3m、 130.9m、147.4m 时，工作面迎来了顶板的第二、三、四及第五次周期来压，来压步距分别 为 16.7m、17.3m、15.6m 及 16.5m。 130 图4 下测区观测结果特征图 Figure 4 The characteristic graph of the observation results of the below measurement area 135 图 4 表明下测区初次来压与上中测区具有同样的显现特征，初次来压步距为 56.1m， 支架的平均压力为 36MPa，峰值压力达到 39.3 MPa，平均活柱下缩量为 30.9mm，最大活柱 下缩量达 33.9mm。工作面推进到 82.5m 时，工作面第一周期来压，来压步距为 26.4m，机 0 10 20 30 40 50 0.0 4.2 5.4 15.2 25.1 40.6 55.9 56.1 73.4 82.5 88.3 100.67 112.1 128.5 140.6 154.8 距切眼距离/m 液压支架荷载/MPa 液压支架荷载平均值液压支架荷载最大值来压判据 a 支架荷载 0 10 20 30 40 0.0 4.2 5.4 15.2 25.1 40.6 55.9 56.1 73.4 82.5 88.3 100.67 112.1 128.5 140.6 154.8 距切眼距离/m 活柱下缩量/mm 活柱下缩量平均值活柱下缩量最大值 b 活柱下缩量 - 6 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 道上方伪顶脱落厚度 200mm， 人行道上部顶板出现裂隙， 片帮严重， 顶板出现垮落声响。 随 着工作面的继续推进，首采工作面分别推进到 96.6m、112.1m、128.5m及 146.1m时，出现140 了第二、三、四和第五次周期来压，来压步距分别为 14.1m、15.5m、16.4m和 17.6m。 4 结论结论 1301 工作面初次来压和五次周期来压观测， 该矿区浅埋条件下采高 3.5m的工作面矿压 显现规律研究，主要结论有 1 老顶来压，显现强度较明显，动载系数在 1.51.6；来压期间支架压力比平时大145 113MPa，柱缩比平时大 813mm，活柱下缩量最大达 34.3mm，主要在中测区出现； 2 老顶初次来压持续时间较长，不同于常规埋深煤层的矿压显现规律，初次来压步距 在 55.956.3m；原因表明是由于采高、回采速度、埋深及设备故障，导致工作面推进速度慢 和停产的事故发生，给上覆顶板活动提供了时间，致使持续时间较长； 3 老顶第一次周期来压步距较后续来压步距大，三个测区的第一次平均来压步距为150 26.2m，后续四次周期来压的步距在 14.617.6m；三个测区观测表明，中测区由于受工作面 两侧煤壁影响较小，显现程度同上下测区比较明显。 [参考文献参考文献] References [1] 刘洋,伍永平.近浅埋煤层开采顶板垮落步距分析[J].煤矿开采,2009,1461013 155 [2] 黄庆享.浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究[M].徐州中国矿业大学出版社,2000. 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