大倾角煤层开采顶板垮落特征及矿压显现规律.pdf

第24卷 第2期 2007年06月 采矿与安全工程学报 Journal of Mining 2.安徽省煤矿安全监察局,安徽 合肥 230000 摘要为了研究大倾角条件下的综合机械化采煤工作面矿压显现规律,采用FLAC5. 02D数值模 拟软件建立相应的分析模型,模拟了煤层开采过程中的顶板垮落和围岩应力分布特征,重点分析 了工作面上下端头的围岩应力分布规律及变形特点;结合具体生产矿井的综采工作面现场情况, 得出了综采工作面推进过程中的周期来压、 采动影响范围和煤壁片帮等矿压显现特征,并针对开 采中出现的问题提出了相应的安全防范措施. 关键词大倾角煤层;顶板垮落;数值模拟;围岩应力;矿压显现 中图分类号 TD 323 文献标识码 A Roof Caving Characteristic and Strata Behavior in Exploiting Steep Coal Seams ZHAO Yuan2fang1 ,2, ZHANG Xiang2yang1, TU Min1 1. Department of Resources Exploration and Management Engineering , Anhui University of Science and Technology , Huainan , Anhui 232001 , China ; 2. Anhui Colliery Bureau of Safety and Supervision , Hefei , Anhui 230000 , China Abstract The FLAC5. 02Dsoftware is used in establishing a relevant model to study the strata behavior of fully mechanized working face of steep coal seams. Using this model , we have sim2 ulated the roof caving characteristic and the stress distribution of surrounding rocks and ana2 lyzed the deation feature of the surrounding rocks in the working face end. Based on the in2situ observation about the fully mechanized working face , we have obtained the periodic weighting of the working face , the mining induced affecting area , and the strata behavior of coal wall and proposed some countermeasures aiming at these problems. Key words steep coal seam ; roof caving ; numerical simulation ; surrounding rock stress; strata behavior 目前,综合机械化采煤一般适用于缓倾斜煤 层[1],随着煤炭开采的时间推移和开采强度的不断 扩大,在大倾角煤层中也越来越多地采用综合机械 化采煤方法,大倾角综合机械化采煤作为综合机械 化采煤技术的发展方向和目标,成为煤炭行业世界 性研究的课题.研究在大倾角复杂地质条件下的工 作面顶板垮落及矿压显现特征[223],对采用安全高 效综采技术,拓宽综采工艺的适用范围、 发挥综采 潜力,提高矿井机械化开采水平、 经济效益和煤炭 采出率有重要的意义. 本文结合淮南矿区某矿大倾角复杂地质条件 下的综采工作面,运用FLAC5. 02D数值模拟软件 建立岩层数值分析模型[425],模拟分析了大倾角综 采工作面的顶板垮落特征、 围岩应力分布特征和矿 压显现规律,结合现场实测得出顶板垮落特征及围 岩应力对综合机械化采煤的影响,对同类条件下的 煤层开采具有借鉴和指导意义. 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 采矿与安全工程学报第24卷 1 工程概况 56104工作面属于淮南矿区某矿五水平六采 区一阶段B4回采工作面,位于F5和F6断层之 间,上限工程标高- 412 m ,下限工程标高- 506 m ,走向长1 000 m ,适合综采走向长900 m ,倾斜 长200 m.本面所采B4煤层为结构复杂的厚煤层, 煤厚为1. 2～4. 0 m ,平均为3. 2 m ,煤厚变异系数 较大,局部有底鼓、 变薄、 夹矸插入体等.煤层倾角 25 ～32,平均30. B4煤层直接顶板为灰色砂质泥岩,局部为粉 砂岩,厚2～7 m ,平均为4. 5 m ,向上为 B5a 厚0～ 1. 0 m ,平均0. 5 m ,B5b 厚0～1. 0 m ,平均0. 4 m 煤层,B5a与B5b层间距为1. 5 m ,B5b煤层顶 板为砂质泥岩.B4煤层直接底板为灰色泥岩,块状 结构,含大量植物根茎化石,厚2. 0～5. 0 m. 主要充水因素为上阶段老塘水及构造裂隙水, 预计采区最大涌水量为12. 0 m3/ h ,正常涌水量为 5. 0 m3/ h.B4煤层属煤与瓦斯突出危险的煤层,且 具有爆炸危险性,自然发火期为3～6个月. 2 模型的建立及分析 2. 1 数值模型设计 利用FLAC5. 02D软件对大倾角煤层开采过程 中顶板垮落及围岩应力分布特征进行模拟研究.模 型网格划分为24 900个网格单元,且单元全部为 四边形参数单元,采用一次开挖的开采方式,B4煤 层一次采全高,模拟走向长壁工作面采空区在倾斜 方向上的顶板垮落和采空区围岩应力分布规律. 各岩层物理力学参数如表1所示. 表1 各岩层物理力学参数 Table 1 The mechanical parameters of each stratum 序号名称层厚/ m 弹性模量/ GPa 泊松比 容重/ kg m - 3 1泥岩2.51. 90. 302 510 2细砂岩4.53. 70. 232 520 3中砂岩11.54. 40. 222 560 4细砂岩12.03. 70. 232 520 5砂质泥岩2.02. 60. 282 520 6泥岩2.51. 90. 302 510 7B5煤层0.81. 20. 251 400 8泥岩1.51. 90. 302 510 9B5a煤层0.91. 20. 251 400 10砂质泥岩4.52. 60. 282 520 11B4煤层3.81. 20. 251 400 12泥岩3.01. 90. 302 510 13中石英砂岩6.04. 40. 222 560 14泥岩18.51. 90. 302 510 15砂质泥岩6.52. 60. 282 520 采用倾向平面应变模型,模型宽度为300 m , 两端各留60 m边界煤柱,模型高度250 m ,B4煤 顶底板厚度分别为60 m. 模型的底界和左、 右边界,采用零位移边界条 件,即左右边界u 0, v≠0 u 为x方向位移, v 为y方向位移 , 即单约束边界;下部边界uv 0,为全约束边界;上部边界不约束,为自由边界, 上部末模拟的岩层作为外载荷施加在模型的上边 界上. 2. 2 模拟结果分析 2. 2. 1 垂直应力分布特点 煤层开采后,工作面围岩的垂直应力分布如图 1a所示.可知,工作面上区段底板内的垂直应力要 大于下区段,工作面上区段顶板的垂直应力降低区 比下区段的偏大,并有向上发展的趋势.而在工作 面底板中,工作面上区段底板内的垂直应力要大于 下区段,上区段顶板的垂直应力降低区比下区段的 偏小,下区段应力降低区逐渐向下发展. 图1 煤层开采后围岩应力分布 Fig. 1 Distribution of stress after coal seam mined 在工作面上端头上帮底板围岩由于承受上方 岩层的自重,应力在此较集中;下端头显现出下帮 偏上方垂直应力较集中.这说明倾斜工作面下端头 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;而工作 面上端头更容易发生底鼓现象,底板的管理重点应 是工作面上端头. 2. 2. 2 水平应力分布特点 煤层开采后围岩的水平应力分布情况如图1b 所示.由图可知,倾斜工作面围岩水平应力分布特 点为工作面上区段顶板水平应力小于工作面下区 段顶板水平应力,而在底板中的水平应力大小恰好 232 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第2期赵元放等大倾角煤层开采顶板垮落特征及矿压显现规律 与顶板相反.在上下端头,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.所以倾斜工作面的顶底板管理,都应该把重点 放在工作面的上端头. 2. 2. 3 垂直和水平方向位移特点 工作面煤层开采后,工作面围岩的垂直和水平 方向位移特点如图2所示. 图2 工作面围岩垂直和水平方向位移云图 Fig. 2 Displacement diagram of surrounding rock in working face 由图可知,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,整个工作面具有明显的不对称特征,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,整个工作面的位移量较均匀,都是正位移, 向采空区空间运动,其中上端头水平位移出现正位 移与负位移交错现象. 3 工程实践 3. 1 基本顶周期来压特征 由于工作面在推进过程中,受到煤层厚度变 化、 工作面倾斜、 地质构造及推进速度等各种复杂 条件的影响,导致56104工作面顶板周期来压表现 出工作面上和下部来压步距略大于中上、 中、 中下 部,且周期来压时间不一致,即使在同一测区,每次 周期来压步距也有差异.工作面基本顶4次周期来 压步距在6. 3～18. 4 m之间变化,平均步距在9. 9 ～15. 0 m.且来压持续时间情况和步距大小分布 特征基本能反映出数值模拟中工作面顶板的应力 分布特点. 3. 2 巷道围岩变形特征 由于数值模拟过程中得出工作面上下端头压 力较大,尤其顶底板变形较大,因此,在工作面回采 过程中提前加强端头支护,加大单体支护密度和超 前支护距离.通过在煤壁前方的回风平巷内设置顶 底板变形测点,测出采动影响下的巷道表面变形特 征如图3所示. 图3 巷道变形 Fig. 3 Deation of roadway 由顶底和两帮移近速度曲线可知,随着工作面 推进,巷道表面变形速度出现一定的波动变化趋 势,巷道累计移近量逐渐增大;工作面前方44～78 m范围内巷道两帮最大移近速度为16 mm/ d ,顶 底最大移近速度为11 mm/ d ;工作面前方30～44 m范围内巷道两帮最大移近速度为32 mm/ d ,顶 底最大移近速度为29 mm/ d ;距离测点5m时,其 两帮移近速度为105 mm/ d ,顶底移近速度为38 mm/ d ,巷道两帮累计移近量为437 mm ,顶底板累 计移近量为254 mm. 由此可知,工作面前方44 m范围内受采动影 响,采动对工作面前方的明显影响区在30 m范围 内,采动对工作面前方的剧烈影响范围在17 m以 内,且两巷顶底板变形得到有效控制. 3. 3 顶板垮落及支架运行特征 工作面开采过程中冒落的顶板破断岩块向下 滚落,形成采空区沿倾斜方向不同的充填特征,下 部填实,上部可能充填不实,这不仅改变基本顶的 支撑条件,而且基本顶破断后下部板块的失稳运动 首先受到限制,并影响着整个破断系统的后运动过 程,这也是工作面下部矿压显现较上部缓和的原 因,基本反映了模拟分析的结果. 工作面液压支架工作阻力分布情况如表2所 示.由表2可知,工作面支架初撑力都达到额定值 的86. 3 以上,而循环末阻力表现为从中上往下 逐渐升高,说明顶板压力从上往下逐渐加强,这与 332 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 采矿与安全工程学报第24卷 数值模拟结果吻合.另外,支架最大初撑力和循环 末阻力都普遍大于额定值,说明液压支架选型偏 小.因此,应选用较大型号的液压支架,同时开采过 程中,加大对中下部支架的安全管理. 表2 液压支架工作阻力分布统计结果 Table 2 Distribution of hydraulic support working resistance 项目 工作面 部位 支架 编号 最大最小平均 平均值 额定值/ 初撑力 P0/ kN 架- 1 下11 5 1781 2593 11495. 7 中下315 4891 3373 45397. 9 中1515 7421 3373 09787. 9 中2715 3921 2593 09587. 9 中上91 5 5871 2593 04286. 3 上1185 0221 2593 16789. 8 循环 末阻力 Pm/ kN 架- 1 下115 9761 8105 221118. 6 中下31 5 8791 6744 910111. 6 中151 5 7421 7524 639105. 5 中2715 7231 6744 597104. 5 中上91 3 8351 7132 80563. 8 上1185 7031 9084 39399. 8 注额定值初撑力3 524 kN ;工作阻力4 400 kN. 3. 4 对综合机械化开采的影响 大倾角煤层开采过程中,对液压支架,采煤机 及其配套设备技术参数要求较高.如果液压支架工 作阻力不够,很可能被压死.同时工作面出现片帮、 漏顶,严重时影响正常回采和人员安全.工作面倾 角变大导致上覆岩层作用到支架上的压力有一定 的角度,容易使支架产生下滑力,使其失稳.煤机在 上行和下行过程中应采取不同的采煤工艺,如果对 煤机的牵引力、 力矩等参数调整不当,容易发生抱 砸或抱死现象.因此,对综采设备的防滑装置和液 压支架选型要求较高. 3. 5 防范片帮措施 煤层开采过程中,煤壁出现周期性片帮现象, 尤其在顶板周期来压期间煤壁片帮较为严重,且工 作面中上部片帮深度比中下部要大,上部最大片帮 深度达到2. 5 m左右. 因此,为了防治煤壁片帮应做到如下防范措 施① 尽可能提高泵站的供液压力,保证支架初撑 力满足要求;② 保持正常工作面推进速度,减小煤 壁暴露时间;③ 加强对支架的管理,做到带压移架 并及时调整支架,保证支架垂直顶底板;④ 及时伸 出伸缩梁和护帮板,护好新露出的顶板及煤帮. 4 结 论 1 倾斜工作面中上区段底板内的垂直应力要 大于工作面下区段,而顶板上区段的垂直应力降低 区比工作面下区段的偏小;上区段顶板水平应力小 于工作面下区段顶板水平应力,而在底板中的水平 应力大小恰好与顶板相反,且上下端头围岩变形较 大. 2 煤层开采过程中,老顶来压呈现周期性,周 期来压平均步距在9. 9～15. 0 m ;回采巷道采取加 强支护后,围岩变形得到改善,工作面前方44 m 范围内为采动影响区,30 m范围内为明显影响区, 17 m范围内为剧烈影响区;应提前加强两巷超前 支护. 3 支架循环末阻力表现为从中上往下逐渐升 高,采用综合机械化采煤应选取配套的综采设备, 液压支架必须有足够的工作阻力;对周期性片帮现 象,应提前做到一定的防范措施. 参考文献 [1] 宫培发,谭 军.大倾角煤层综采放顶煤开采技术实 践[J ].煤矿安全,2002 ,3311 21223. 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