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n 煤炭科技 开拓与开采n 葛泉矿带压开采下组煤底板破坏深度探测研究 徐玉增 冀中能源金牛股份公司葛泉矿,河北省邢台市, 054000 摘 要 针对葛泉矿底板加固条件下带压开采下组煤的情况, 依据采场底板不同深度应 变监测值随工作面推进发生的变化情况,分析了葛泉矿首采工作面煤层底板岩体受采动破坏 的情况, 确定底板破坏深度为 1215 m。 关键词 底板加固 带压开采 底板破坏 破坏深度 应变监测 中图分类号 T D 822 13 文献标识码 B A study on the depth of floor damage in lower coal seam mining with water pressure in Gequan Coal Mine Xu Yuzeng Gequan Coal Mine, Jizhong Energy Resources Jinniu Energy Co Ltd, Xingtai, Hebai province 054000, China Abstract Based on the case of coal mining in lower coal seams under water pressure and floor strengthened in Gequan Mine and also on the basis of changing strain monitoring values obtained at var - ied depths in the floor of the mining site that change with the advance of coal face, this paper provides an indirect analysis of the damages caused by mining to the coal seam floor strata of its first coal face. It is determined that the depth of the damages in the floor caused by coal mining is 12. 5m. Key words floor strengthening, coal mining above aquifer, floor damage, depth of damage, strain monitoring 葛泉矿于 1989 年建成投产,设计生产能力为 60 万 t/ a, 经过 20 多年的开采, 上组煤开采殆尽, 为了解放下组煤资源以延长矿井服务年限,葛泉矿 开展了下组煤试采工程,主采 9煤层。然而 9煤 层的带压开采,受到矿山压力及奥灰强含水层承压 水的双重影响,采动后煤层底板的应力集中与释放 将造成煤层底板破坏, 形成新的次生裂隙和渗透性 通道, 使底板隔水性发生明显改变, 增大了诱发底 板奥灰突水事故的概率。而煤层底板破坏深度的大 小直接影响着煤层底板的有效隔水层厚度。本文以 葛泉矿下组煤首采工作面为例,对底板加固条件 下,带压开采 9煤煤层底板的破坏深度进行探测 研究, 研究结果对于正确评价开采时煤层底板突水 的可能性, 制定工作面的防治水方案,具有十分重 要的指导意义。 1 工作面概况 下组煤首采工作面位于西翼运输大巷上方,地 面标高 101 1 2 102 16 m,开采标高为- 50 - 140 m, 走向长度 75 m,倾斜长约 410 m。主采的 9 煤层平均厚度 513 m, 倾角约 10 b。工作面总体构 造形态为一单斜构造, 工作面巷道掘进阶段共揭露 断层 9 条,落差在5 m 以上的断层1 条, 其余均为 落差小于 2 m 的小断层,表现为北东向正断层, 揭露后均干燥无水。首采工作面采用综合放顶煤开 采工艺,顶板管理方式为全部顶板垮落法。 首采工作面下部的本溪灰岩裂隙发育程度较 高,裂隙密集发育段可直达 9煤层底板,阻水性 能一般,本溪灰岩含水层与奥陶系灰岩含水层之间 局部存在水力联系,使本溪灰岩含水层富水性增强 并局部存在导升高度, 具有底板突水的危险性。为 使首采工作面具备带压开采的条件, 对工作面底板 隐伏导水裂隙带进行了注浆加固,补强其阻水性 能,对本溪灰岩含水层进行全面注浆改造,阻止奥 灰水导升裂隙的向上发展。 48 中国煤炭第 36 卷第 4 期2010 年 4 月 2 工作面底板破坏深度探测 煤层底板破坏深度受多因素的制约, 如 采煤 方式、工作面大小、隔水层厚度、岩性组合、开采 深度、岩体强度等。这些因素在底板破坏深度中所 起的作用是非常复杂的,很难用已有的公式来准确 表达。但其作用的结果必然引起底板应变的变化, 因此可以利用应变的变化,间接推求底板破坏深 度。根据首采工作面具体情况, 现场采用底板应变 监测来探测煤层底板的破坏深度。 2 11 工程布置 结合首采工作面的具体情况, 将观测孔布置在 工作面底板发生变形破坏可能性较大的三个部位, 即顶板首次来压、构造 断层 发育、停采线附近。 考虑到首采工作面的实际情况, 在运料巷中相应位 置共设计布置4 个观测孔, 分别布置距切眼 30 m、 75 m、150 m 和距停采线 30 m 的位置,如图 1 所 示, 每个观测孔中安放 2 3 个应变计,观测孔所 在位置参数见表 1。 图 1 首采工作面钻孔平面布置图 2 12 施工要求 钻孔开孔直径 108 mm,下 3 5 m 套管后, 变径至 89 mm 后钻至设计深度。在不同深度依次 安放应变传感器, 安放完毕后注浆将钻孔封堵,使 应变传感器与岩层成为一体。为保证采煤时底板垮 落和运料不会对巷道中的信号线造成破坏,需要将 信号线穿入钢管中进行保护。 表 1 应变监测孔位置参数一览表 监测孔编号应变计编号倾角/ b垂深/ m倾斜长度/ m水平投影/ m位置 DG1 DG2 DG3 DG4 DG1- 3301010201017 1 3 DG1- 1301410281024 1 2 DG2- 2401514241018 1 3 DG2- 1401810281321 1 7 DG3- 3351013181114 1 7 DG3- 2351210211117 1 1 DG3- 1351410241620 1 0 DG4- 2301213241621 1 3 DG4- 1301415291025 1 1 距离切眼 30 m 距离切眼 75 m 距离切眼 150 m 距离停采线 30 m 2 13 监测结果分析 依据在底板不同深度上安装的应力计随采面推 进所表现出来的变化特征, 分析工作面底板破坏特 征。现场监测直接获得的指标是在采动条件下底板 一定深度范围内的每个应力计 12 个通道的应变值 微应变 L E ,观测时间共 218 d 分段观测 ,工 作面推进距离 384 m, 共获取 108 组数据。以下针 对各个传感器在底板中绝对应变变化进行分析。 2 13 1 1 DG1 监测结果分析 DG1 孔距离切眼 30 m, 分别在 3 个不同深度 安放了应变传感器,由浅到深编号为 DG1- 3 、 DG1- 2、DG1- 1。其中 DG1- 2 的信号线因在安 放后被错断未能取得数据,以下仅对 DG1- 3 、 DG1- 1 的监测结果进行分析。 DG1- 3 和 DG1- 1 应变传感器安放到距离煤 层底板 10 m、14 m 处, 监测过程中应变与工作面 距离关系的曲线见图 2。在监测初始阶段 DG1- 3 应变呈下降趋势,到工作面距离接近 DG1 观测孔 时 距离切眼 3011 m ,应变达到第一个波谷,在 工作面推过该观测孔后应变值开始小幅回升, 出现 波峰后,应变又呈现下降趋势直到工作面距超过 DG1孔 22 16 m。而 DG1- 1 结果变化趋势正好相 反。分析认为,在矿山压力作用下, 随着工作面的 推进, 当接近 DG1 观测孔时, 产生应力集中现象, 底板应变值应增大 受压 ,而 DG1- 3 实际监测 结果与此相反,表明此深度范围内底板岩体受到一 定程度的破坏。DG1- 1 应变特征反映了正常的底 板应力集中、应力释放和应力恢复过程中压缩和膨 胀现象,表明此深度范围岩体受采煤的影响较小, 底板未发生破坏。综合分析上述两个应变传感器的 49 葛泉矿带压开采下组煤底板破坏深度探测研究 应变特征认为,在此位置的底板破坏深度应介于 10 14 m 之间。同时,上述变化也间接反映了初 次来压和周期来压的特征,分析认为 30 11 m 为初 次来压位置, 周期来压步距约为 18 21 m。 图 2 DG1 应变监测结果与工作面推进关系图 2 13 1 2 DG2 监测结果分析 DG2 孔距离切眼 75 m, 分别在 3 个不同深度 安放了应变传感器,由浅到深编号为 DG2- 3 、 DG2- 2、DG2- 1,其中 DG2- 3 的信号线因在监 测过程中被错断未能取得系列数据,以下分别对 DG2- 2 、DG2- 1 的监测结果进行分析。 DG2- 2 和 DG2- 1 安放在距离煤层底板 1514 m、18 12 m 的位置,监测过程中应变与工作面距 离关系的曲线见图 3。观测初期 距离观测孔 4419 m, 应变值呈缓慢下降到一次周期来压 距离观 测孔 2214 m ,底板发生较小膨胀变形;随着工作 面的推进, 在距离观测孔 22 14 1418 m 距离内, 应变值呈逐渐上升趋势 应力集中所致 ,之后又 呈缓慢下降直到工作面超过观测孔 3 17 m 第二次 周期来压 ; 当工作面推进超过观测孔 3 17 m 后应 变值又呈平稳变化, 总体变化趋势 DG2- 2比 DG2 - 1 明显。综合分析认为,上述变化特征反映了采 前和采后应力集中和释放的过程,表明采动影响下 此深度范围内的底板岩体未遭到破坏,只是发生了 较小的弹性变形。 图 3 DG2 应变监测结果与工作面推进关系图 2 13 1 3 DG3 监测结果分析 DG3 孔距离切眼 150 m, 分别在 3 个不同深度 安放了应变传感器,由浅到深编号为 DG3- 3 、 DG3- 2 和 DG3- 1,以下对监测结果进行分析。 DG3 孔内各应变传感器分别距离煤层底板 10 m、12 m、14 m。自观测开始到距离观测孔 1014 m, DG3- 3 应变值呈现缓慢上升趋势,大部分应 变仍保持负应变状态, 表明在此期间底板主要以膨 胀变形为主。但工作面推至观测孔时,应变值开始 呈下降趋势直到观测结束, 如图 4 所示。上述变化 过程表明, 该深度范围内岩体在观测期间主要受到 拉压力作用, 产生的变形主要以膨胀变形为主,分 析认为此深度的岩体已遭到明显破坏。DG3- 2、 DG3- 1 自观测初期应变值呈缓慢下降趋势,但应 变值较大, 表明在此过程中此深度范围内的底板, 由初期的压缩变形向膨胀变形的平稳过渡;当工作 面推进距 DG3 孔 10 14 m 和 2 16 m 时,DG3- 2、 DG3- 1 应变值达到最小值, 表明在此期间底板发 生了较大的膨胀变形;随后应变值又大幅度回升, 观测期间应变最大变幅达 5000,随后工作面推过 DG3观测孔时,应变值又呈持续下降趋势。上述 变化特征, 反映了此深度范围内正常底板岩体变形 特征, 分析认为此深度底板岩体未遭到破坏。上述 3个应变传感器的应变特征表明,随着深度的增加 50 中国煤炭第 36 卷第 4 期2010 年 4 月 底板受采煤的影响逐渐减弱,此位置的底板破坏深 度为 10 12 m。 图 4 DG3 应变监测结果与工作面推进关系图 2 13 1 4 DG4 监测结果分析 DG4 孔距离停采线 30 m, 分别在两个不同深 度安放了应变传感器,由浅到深编号为 DG4- 2 、 DG4- 1,以下分别对监测结果进行分析。 DG4- 2 距离底板12 15 m, 自观测初期到工作 面距离观测孔 14 11 m,大部分通道由开始的正应 变转变为负应变 受拉 , 表明在此深度的岩体经 图 5 DG4 应变监测结果与工作面推进关系图 历非常明显的由压缩到膨胀的快速转变的过程,表 明此深度岩体主要以膨胀变形为主; 虽然在工作面 距离观测孔 1411 8 1 7 m 期间应变值发生了短暂 的升高,但之后一直到工作面推进到观测孔, 应变 值又呈现快速下降趋势,如图 5 所示。上述应变变 化过程表明, 此深度的底板岩体以膨胀变形为主, 分析认为该深度范围内岩体已遭到破坏。DG4- 1 距离底板 1415 m,自观测开始到工作面距离观测 孔 8 17 m,应变值呈小幅下降趋势, 随后应变值又 呈上升趋势, 整个过程应变变化较小,基本稳定在 初始水平。上述变化过程表明, 该深度范围内岩体 在观测期间未发生破坏。综合监测结果, 确定该位 置底板破坏深度范围为 121 5 1415 m。 3 结论 通过在下组煤首采工作面利用现场应变监测方 法对底板加固条件下的煤层底板破坏深度进行探 测,取得了大量的试验数据。通过对数据资料的整 理和分析, 得出如下结论。 1 煤层开采的结果必然引起底板应变的变 化,通过在采场底板进行应变监测, 分析不同深度 应变监测值随工作面推进发生的变化,间接地分析 煤层底板岩体的破坏深度。 2 在靠近切眼和停采线附近应变变化比较剧 烈,表明此位置的底板受影响最大, 煤层底板的最 大破坏深度为 121 5 1415 m。 3 首采工作面初次来压步距约 30 m,周期 来压步距为 18 21 m。 参考文献 [ 1] 赵阳升, 胡耀青1 承压水上采煤理论与技术 [M] 1 北 京 煤炭工业出版社, 2004 [ 2] 冯启言1 煤层开采底板破坏深度的动态模拟 [ J] 1 矿 山压力与顶板管理, 1998 3 [ 3] 李海梅, 关英斌1 综采工作面底板破坏深度的研究 [ J] 1 矿山压力与顶板管理, 2002 4 [ 4] 冯启言, 陈启辉1 煤层开采底板破坏深度的动态模拟 [ J] 1 矿山压力与顶板管理, 1998 3 作者简介 徐玉增 1963- , 男, 高级工程师, 现任 葛泉矿副总工程师, 主要从事矿井地质、水文地质工作。 责任编辑 张毅玲 51 葛泉矿带压开采下组煤底板破坏深度探测研究