近距离煤层开采时矿压显现规律.pdf

第 1 2卷 第 6期 总第 7 9期 2 0 0 7年 1 2月 煤 矿 开 采 Co a l Mi ni ng Te c hn o l o g y V o 1 ． 1 2 N o ． 6 S e r i e s N o ． 7 9 De c e mbe r 2 O0 7 近距离煤层开采时矿压显现规律 侯 多茂 汾西矿业集 团有 限责任公 司，山西 介休 0 3 2 0 0 0 [ 摘要] 通过对河东井田9 ，1 0号煤层顶板结构分析，探讨了9号煤层开采后对 1 0号煤层的 影响以及 9号 ，1 0号煤层开采 时合 理错 距。 [ 关键词] 近距离煤层；矿压显现；关键层；错距 [ 中图分类号]T D 3 2 3 [ 文献标识码]B [ 文章编号]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 0 7 0 6 - 0 0 7 1 - 0 4 Un d e r g r o un d Pr e s s ur e Be ha v i o r Ru l e o f M i n i n g Cl o s e Co a l Se a ms 1 煤层条件 1 ． 1 煤层 9号煤层位 于太原组下段 的顶部 ，层 位稳定 ， 煤厚在 0 ． 7～1 ． 7 3 m之 间，平均厚度 1 ． 2 1 m，为稳 定可采煤层。 1 0号煤层位 于太原组 下部 ，与 9号煤层间距 为 0 ． 3 5～5 ． 6 5 m，平均 1 ． 7 7 m；该煤层 厚 2 ． 0 2～ 4 9 1 m，平均厚度为 3 ． 3 4 m，结构复杂，含矸 1～6 层 ，为全区稳定可采煤层 见图 1 。 1 ． 2 煤层顶、底板条件 1 9号煤层顶板直接顶为深 灰色石灰 岩 K 2 ，厚 2 ． 2 41 1 ． 5 0 m，一般 为 7 ． 2 5 m；与煤层 接触面凸凹不平 ，单轴抗压强度 1 1 6 MP a ，一般不 易冒落。 2 1 0号煤层顶板1 0号煤层顶板 即为 9号 煤层底 板 ，为 灰 色页 岩 或砂 质 泥 岩 ，厚 0 ． 7 5～ 1 ． 8 9 m，平均为 1 ． 7 7 m，层理 、节理均发育 ，主要 一 组节理走 向为 4 5～5 0 。 ，倾 角 7 0 。 ，属 中等稳定 顶板。 2 9和 1 0号煤层回采数值模拟计算与分析 2 ． 1 9号煤层矿压 显现规律模拟研究 分析图 2可知 ，工作面超前支承压力位于煤壁 层间距 柱 状 岩性 层 厚 地甚啜室 浅灰色相粒砂岩 I n I 7 5 I 4 ＆ 7 6 5 9 D1 0 n 7 3 0 浅灰色相粒夹中粒砂岩 嗍 I 4 9 4 5 I 1 5 0 浅灰色中粒 岩 I ．I ∞ I 5 0 髑5 I l I 浅灰色石灰岩含方解石咏及黄铁 I 矿中夹瞄 吉 核0 翌 厚 7 2 50 I 璐 I3 5 I l 2 g7 2 I ，‘ O ．9 4 O 煤『毛四尺G l 0 9 3 3 l 5 9 D 6 8 l 3 5 5 黑色页岩 l _7 7 o I 印脚 2 0 I 6 煤 提瞒峒炭H 1 H 2 2 I ∞ l 9 5 8 ㈣ ＼ ／ 黑色页岩 n 7 4 5 l 6 3 _彻 0 五 3 o ＼ ， 脯大炭积智锅 拄I 1 H 2 啦 I 翻3 nI 5 o ～ 一 一 黑 1 鱼面岩 nI 8 9 I 6 5 培 n 6 5 0 一 、 幅鲫目 板 I 1 l 6 5 ． 1 6 4 0 ．7 7 5 黑色页岩 n 8 8 9 I6 6 0 I 31 0 灰色 中粒 砖 岩含 方解石 脉 I 5 7 o l 仍 图 1 9号 ，1 0号 煤 层 柱 状 图 前方 4 m。当工作面推进 3 0 m时 ，顶 、底板开始接 触 ，表明在此时超前支承压力峰值将逐渐稳定 。随 着工作面进一步向前推进 ，顶 、底板汇合范围越来 越大 ，从走向剖面上看 ，形成了明显的卸压区和增 压区，随着推进距离的逐渐增大，卸压区稳定 ，而 增压区得到扩大。 分析图 3可知，工作面初次来压步距为 2 6 m， 周期来压步距为 1 4 m。 a L -- 1 0 m L 3 0 m c L -- 5 0 m 图2 9号煤 层工作面矿压分布 [ 收稿 日期 】2 0 0 70 7 2 5 [ 作者简介 】侯 多茂 1 9 5 6一 ，男 ，山西汾阳人 ，高级工程师 ，现任汾西矿业集团副总经理。 71 维普资讯 总第 7 9期 煤矿 开 采 2 0 0 7年 第6期 图3 9号煤层工作面来压 变化规律 曲线 2 ． 2 9号煤层开采对 1 0号煤层开采 的影响 图 4给 出了 9号煤层开采后稳定前和稳定后煤 岩层应力分布状况。由图 4可知 ，9号煤层开采导 致 1 0号煤层及其顶板均发 生破坏。当9号煤层开 采稳定后 ，在开切眼附近和停采线附近存在顶板卸 压区域 ，应力难以到达原岩应力状态。距开切眼约 2 4 m范围之外 ，煤岩层应力则基本可以恢复到原岩 状态 。而在距停采线约 3 0 m范围之外，煤岩层应 力则基本可以恢 复到原岩状态。 由此分析可 以确 定 ，开采 1 0号煤层时，应使 1 0号煤层工作面相 a L 8 m 对 9号煤层工作面在切眼处内错 2 4 m，在停采线处 内错 3 0 m。 a 稳定前 稳定后 图4 9号煤层开采后煤岩层应力分布状况 2 ． 3 1 0号煤层开采煤壁及其顶板破坏特征 图 5为 9号煤层开采结束直至底板稳定后 ，1 0 号煤层不同推进距离情况下 ，1 0号煤层及其顶板 破坏特征。分析图 5 a 9号煤层 与 l 0号煤层工 作面无内错情况下 ，1 0号煤层顶板及煤层破坏情 况 ，当工作面在 2 4 m范围 内，煤壁及顶板均发生 大面积拉伸破坏，这主要是 由于 9号煤层开采后 ， 该范围内底板处于卸压区，无二次矿压作用压实底 板。当推进 长度超过 2 4 m 时，煤壁及其顶板拉伸 破坏明显减弱。 图6 为 1 0 号煤层停采线附近，其破坏与开切 眼处类似，只是影响范围为 3 0 m。 L 2 4 m 图5 9号煤层开采后，开采 l O号煤层时，工作面煤壁片帮顶板破坏情况 a L l 3 2 m L 2 4 m 图6 9号煤层开采后，开采 l O号煤层时， 工作面煤壁片帮顶板破坏情况 综上分析 ，可以得知 ，在 9号煤层工作面开采 后 ，1 0号煤层工作 面受其采动影 响，在 9号煤层 工作面开切眼和停采线下方各约 2 4 m和 3 0 m的范 围内，煤壁片帮和顶板 冒顶问题极其严重 ，需要加 倍监控 ，及时维护 ；而在此范 围之外 ，1 0号煤层 工作面片帮问题较轻， 但由于直接顶已经发生较为 充分的破坏 ，维护顶板依然较为艰巨。 7 2 3 9号煤层与 1 0号煤层开采时岩层运动特征分析 3 ． 1 9煤层开采岩层运动特征及对 1 0煤层的影响 3 ． 1 ． 1 9号煤层开采时岩层运动特征 9号煤 层厚 1 ． 2 1 m，石灰岩直接 顶厚 7 ． 2 5 m， 远大于 1 ． 2 1 m 的下沉量。因此，在开采 9号煤层 时 ，石灰岩顶板将弯曲缓慢下沉充填采空区，在此 过程中7 ． 2 5 m厚的石灰岩顶板仅是开裂，挤压成 砌体梁方式整体下沉， 垮落后在采空区呈现规则排 列。据矿压观测 ，煤层顶、底板在工作面后方采空 区内3 0 m处汇合，经计算每米石灰岩梁只需开裂 1 3 0 m m，便可实现上述的下沉方式。 ． 在这种情况下 ，石灰岩顶板的碎胀系数极低 ， 几乎为 1 ． 0 ，虽其厚 7 ． 2 5 m，也不可能将 9号煤层 采出后留下的1 ． 1 m空间充填满。因此，在石灰岩 下沉后 ，其上部 1 _ 1 4 m及 0 ． 9 8 m厚 的中粒砂岩层 室＼ 磬础墨薤簌 囊 维普资讯 侯多茂 近距离煤 层开采时矿压显现规律 2 0 0 7年第 6期 随之冒落 ，充填石灰岩上部 出现 的空 间， 见 图 7 。如石灰岩 的碎胀系数为 1 ． 0 5，两层 中粒砂岩 的碎胀 系数 按 1 ． 3计算 ，则 7 ． 2 5 1 ． 0 51 ’ 1 ． 1 40 ． 9 8 1 ． 31 1 ． 0 7 6 51 ． 1 m ，这样基本可将 9号煤层采 出后 留下 的 1 ． 1 m 空间充填满 ，并给上部 的 1 0 ． 1 7 5 m 厚的粗粒砂 岩 于支承，使其成为裂隙带的岩层。 图 7 9号 煤 层 顶 板 冒落 示 意 按上述分析 ，9号煤层初采时 ，应在切眼处用 爆破法预先将厚石灰岩顶板切断，使石灰岩顶板呈 悬臂梁方式下沉 ；否则石灰岩顶板将呈简支梁方式 在中部弯曲下沉 ，其跨距将达 6 0 8 0 m，如果突然 断裂 ，将会产生巨大的动压，对工作面安全生产构 成威胁。在 9号煤层工作面顶板初次来压后 ，矿压 显现为顶板的静压力 ，工作面的支护系统必须支撑 住 7 ． 2 5 m厚的石灰岩缓慢下沉所产生压力 ；但工 作面顶板动压较小 ，周期来压都不明显。 3 ． 1 ． 2 9号煤层开采对 1 0号煤层及顶板的破坏 9号煤层开采后产生的卸压 区，势必 使 1 0号 煤层及上部仅 1 ． 7 7 m页岩层产生剪切与拉伸破坏 ， 导致该煤 、岩层中出现较多次生裂隙。此破坏 的深 度越深 ，对 1 0号煤层的开采影响越大。 当岩体在多 向应 力作用下发 生破坏 时，服从 M o h r O C o u l o mb破坏准则，按此可推导出 9号煤层 开采后 ，对其底板及 1 0号煤层破坏最大深度 h 的 计算公式 一 垡 f 2 k一1 1 一 “ 一 2 仃＼ 西一 。 。 。 丽J 7 k一1 式 中，／ 7 , 为最大应力集中系数 ；R 为岩体的单轴抗 压强度 ，MP a ；H为埋深 ，m；k ， 为 1 一 儿 0 1 0号煤层顶板岩体内摩擦角 ， 。 。 将相关参 数代人 此公式 计算 ，9号煤层 开采 后 ，对其底板破坏最大深度在 1 ． 0 5 ． O m之间。 3 ． 2 1 0号煤层开采时岩层运动特征 3 ． 2 ． I 9号与 1 0号煤层 开采 间隔期 根据矿压观测资料及数值模拟计算结果，当 9 号煤层工作面在切眼处采取预断裂顶板措施后 ，顶 板初次来压应在 2 53 0 m之 间。如 9号煤层工作 面的日推进度为 2 m，2个月间该工作面应推进 1 0 0 1 2 0 m，距顶板初次 来压带有 9 09 5 m缓 冲区， 并预留 3 5 4 0 d顶板活动稳定时间。9号煤层厚仅 1 ． 1 m，直接顶 为 7 ． 2 5 m 的石灰 岩，并 以砌体梁的 结构整体缓慢下沉充填采空区。因此 ，该煤层开采 时 ，顶板运动既不强烈 ，作用范围又较小 ，采后 2 个月顶板 冒落应基本趋于稳定。考虑到石灰岩顶板 上部 的砂岩层也要离层垮落 ，要其完全稳定通常时 间不小于 3 4个月 。为保证生产安全 ，1 0号煤层 的综采工作面应滞后 9号煤层 4个月以上掘进工作 面巷道及 回采较为适宜。 3 ． 2 ． 2 开采 1 0号煤层 时岩层运动特征 开采 1 0号煤层 时，其 1 ． 7 7 m厚的页岩顶板将 随采随冒。其上 的石灰岩层开采 9号煤层时，为整 体缓慢下沉 ，对岩层整体 性 的破坏相对较 小。因 此 ，在开采 1 0煤层时 ，石灰岩层还具有一定 的整 体性 、并且强度较高 、块度较大 ，在转动和下沉过 程中，岩块之间可 以形成 “ 岩一 矸”半拱式动平衡 结构 。随着工作面的推进 ，由于该结构的形成和失 稳过程具有较明显 的周期性 ，对采场支架载荷具有 较明显的影响，但采场动载系数较小 ，可称为小周 期来压显现。 石灰岩层垮落后 ，其上部的顶板岩层依次分层 垮落 ，由于 1 0号煤层 采出高度增加 ，9号煤层开 采时垮落带岩层再次垮落，但 岩石碎胀系数减小， 不能充满采空区 ，使垮落带高度继续向上发展。 1 0号煤层 的平均厚度为 3 ． 3 4 m，顶板 岩石碎 胀系数按 1 ． 2计算 ，其 冒落 带的高度应 为 1 6 ． 7 m， 按此 冒落带应 向上延伸 到 1 0 ． 1 7 5 m厚 的浅灰色粗 粒砂岩层 ，该岩层应 为 1 0号煤层开采时上覆岩层 中的关键层。从 1 0号煤层到此岩层 以下有 4个分 层 ，因岩性 、厚度不同，经过一次或二次采动作用 后 ，其碎胀系数都有区别 ，其 冒落充填采空区的合 计厚度为 1 ． 7 71 ． 27 ． 2 51 ． 0 51 ． 1 1 ． 1 4 0 ． 9 8 1 ． 31 ． 0 51 3 ． 3 9 m 。 据此 ，该粗粒 砂岩层断裂下沉 或 冒落 3 ． 3 1 m， 便可将采空区充填满。如该岩层层理发育 ，能分层 冒落充填采空区，其动压将会小得多 ，对支架影响 较小 。如该岩层层理不发育 ，呈岩梁方式整体断裂 下沉时 ，此岩梁厚度是下沉量 的 3 ． 0 7倍 ，因而岩 梁下沉移 动的 自由度极小 ，使断裂 的岩块 整齐排 列 ，相互挤压形成 砌体梁结构 。当 “ 砌体梁 ”平 衡结构失稳 ，该岩层的断裂 、回转 、下沉造成下方 “ 岩． 矸”半拱式平衡结构共 同失稳时 ，将使 1 0号 煤层综采工作面出现较剧烈的矿山压力显现，其表 7 3 维普资讯 总第 7 9期 煤矿开采 2 0 0 7年第 6期 现为液压支架载荷急剧增加 、顶底板移近量和支架 活柱下缩量增大 ，煤壁片帮加深 ，架端 冒顶等 ，此 时的综采工作面的周期来压可称为大周期来压。 9号煤层开采时 ，由于超前支承压力 的作用对 9号煤层底板及 1 O号煤 层的预破坏作用 ，导致 1 O 号煤层及直接顶 出现较 多次生裂 隙。1 O号煤层综 采工作面的顶板和前方的煤壁在采动支承压力重复 作用下 ，将产生更多的次生裂隙，导致顶板及前方 煤体的强度极度降低。因此，1 O号煤层开采时围 岩变形移动量增大 ，易出现煤壁片帮 、架端 冒顶现 象 ，需加强支护 、控制煤壁片帮及 冒顶 。 1 0号煤层 上部单轴抗压强度 为 7 ． 4 4 MP a ，下 部 为1 0 ． 3 5 MP a ， 顶 板 页 岩 的 抗 压 强 度 为 4 9 ． 2 7 M P a ，都较低 ，再经过 9号 、1 O号煤层采动 影响后 ，其 强度 将更 低。1 O号 煤层 的平 均 采 高 3 ． 3 4 m，接近 中厚 煤层上 限。因此 ，开采 1 O号煤 层时，在顶板控制方面最值得关注的是煤壁片帮和 架前 冒顶 ，应提前做好各类预防及技术处理措施。 3 ． 3 9号、1 O号两煤层合理错距及开采顺序 目前近距离煤层工作面合理错距有两种方法 方案一是待 9号煤层工作面采空 区顶板稳定 后 ，再采 1 O号煤层。1 O号煤层工作 面位于 9号煤 层工作面在推进方向上的支撑压力恢复 区，此时 9 号煤层顶板 冒落基本稳定 ，1 O号煤层工作面不受 9 号煤层工作面采空 区顶板 冒落所形成 的动压影 响 ， 使其工作面顶板易于控制 ，压力显现比较缓和。 方案二是利用 9号煤层工作面减压 区开采 1 O 号煤层。根据 “ 砌体梁”结构假说 ，9号煤层开采 后 ，上位岩层能够形成 “ 砌体梁” 式的平衡结构 ， 1 O号煤层工作面处于 已破裂而互相挤压 的岩块形 成的结构保护下开采 ，压力显现应较缓和。但 9号 煤层为薄煤层，采用高档普采，而 1 O 号煤层为中 厚煤层采用综采 ，因此 1 O号煤层工作面的推进速 度肯定大于 9号煤层 ，不可能采用方案二。 当采用方案一时 ，需要注意的是不能使上下煤 层采煤工作面错距过小 ，以免上煤层顶板 冒落对底 板产生的动力冲击 ， 影响到下煤层的 回采工作 。这 个最小距离 j 的计算模型如图 8 ，计算公式为 i M c t g b 式中，M为煤层间距 ，平均 1 ． 7 7 m；8为岩层移动 角 ，根据顶板岩层性质取 5 5 。 ；L为考虑 9号煤层 工作面顶板 岩层 冒落基本稳定及 9号 、1 O号煤层 工作 面推 进 速度 不 均衡 的安 全距 离 ，应不 小 于 3 0 m；b为 9号煤层工作面的最大控顶距 ，取 5 m。 经计算得 ，X 3 6 ． 2 m。由此可知 ，采用该 7 4 方案时两工 作面 的错距 应不小 于 3 6 ． 2 m。若 单从 l 0号煤层工作 面不受 9号煤层工作面采动影响角 度考虑 ，该距离越大 越好 ，但是 该距离越 大，1 O 号煤层工作面回采巷道受采动影响的时间越长 ，势 必增加了 1 O号煤层工作面 回采巷道 的维护工程量 和维护费用 ，同时影响生产。 图8 9号与 1 O号煤层错距计算 4结论 通过以上论 述 与分析 ，在河东 矿井 9号 、1 O 号煤层近距离赋存条件下 ，开采时 ，将呈现如下矿 压 显现 1 9号煤层初次来压步距约为 2 6 m，周期来 压步距约 1 4 m，开采时工作面静压大，动压相对较 小 ； ， 2 9号煤层开采后对其底板及 1 O号煤层有 较大的破坏 ，其深度在 1 ． 0～ 5 ． O m之间 ； 3 1 0号煤层工作面相对 9号煤层工作 面的 切眼内错．2 4 m，停采线内错 3 0 m布置 ； 4 1 0号煤层滞后 9号煤 层 4个 月以上掘进 巷道及 回采较为适宜 ； 5 1 0号煤层开采时有小周期来压 和大周期 来压之分 ，在顶板控制方面最值得关注的是煤壁片 帮和架前 冒顶 ，应提前做好预 防及处理措施。 [ 参考文献] [ 1 ]钱鸣高 ．岩层控制中的关键层理论研究 [ J ]．煤炭学报， 2 0 0 6 3 1 1 - 1 3 ． [ 2]马全礼 ．近距离煤层同采工作面合 理错距 研究 [ J ]．煤 炭工 程 ，1 9 9 6 3 2 2 5 - 2 3 0 ． [ 3 ]刘增辉 ．采 空 区下极 近距 离 煤层 开 采 的问题 及 对策 的 探讨 J ．山西煤炭 ， 2 0 0 5 3 2 5 - 2 7 ． [ 4 ]孙玉宁 ．煤 层群 开采 矿压 显 现 的时 空关 系及 相互 影 响研 究 J 煤炭工程 ，2 0 0 4 1 5 4 - 5 7 ． [ 5 ]田昌盛． 下分层综放工作面上覆岩层结构特征 J ．河南理 工大学学报，2 0 0 6 6 1 9 1 ． 1 9 4 ． [ 责任编辑邹正立] 维普资讯