大倾角综放工作面超前支承压力实测.pdf

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第36卷第11期 煤 炭 科 学 技 术 Vol136 No111 2008年11月COAL SCIENCE AND TECHNOLOGYNov . 2008 大倾角综放工作面超前支承压力实测 孙忠强 1 ,杨玉学 2 ,王广宇 1 1 1河北科技大学 环境科学与工程学院,河北 石家庄 050018; 21中钢集团 工程设计研究院石家庄设计院,河北 石家庄 050021 摘 要为了使煤矿回采工作面安全、高产高效开采,针对开滦赵各庄矿地质采矿技术条件,利用 深基点观测法,在3237综放工作面设置矿压观测站,对大倾角综放面顶煤的不同层位的超前支承 压力进行了现场观测。掌握了大倾角条件下综放面矿压显现的规律;对支架的适应性、支柱载荷、 超前支承压力等问题进行了分析,目的是防止掘进巷道和回采巷道顶板的灾害事故的发生。 关键词大倾角;矿压规律;支承压力 中图分类号TD323 文献标志码 A 文章编号 0253 - 2336 2008 11 - 0017 - 04 Site measurement of advanced abutment pressure at fully mechan ized top coal caving m in ing face in high inclined seam SUN Zhong2qiang 1 , YANG Yu2xue 2 , WANG Guang2yu 1 1.School of Environment Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China; 2.Shijiazhuang Design Institute, Sino-Steel Group Engineering Design and Research Institute, Shijiazhuang 050021, China Abstract In order to have a safety, high production and high efficiency in the coalmining face of the mine, according to the geological and mining conditions in ZhaogezhuangMine of Kailuan Group, a strata pressure observation station was set up in the 3237 fullymecha2 nized top coal cavingmining face with the deep basic point observation and measurement to conduct a site observation on the ad2 vanced abutment pressure at the different layers of the fullymechanized top coal cavingmining face in a high inclined seam. W ith the a2 nalysis on the observed andmeasured data, the strata pressure behavior law of fullymechanized top coal cavingmining face under the high inclined angle conditionswas obtained.The paper analyzed the suitability, leg loading and advanced abutment pressure of the powered supports . All those could have a prevention and control function to the roof accidents occurred in the gateway heading and face mining . Key words high inclined angle; strata pressure behavior law; abut ment pressure 基金项目河北科技大学校立科研基金资助项目XL200722 大倾角煤层回采巷道由于煤岩层的赋存 特点必然开掘于受力和变形不均匀的围岩中,加之 采动影响所造成的动压和明显的方向性,使回采巷 道处于极其复杂的受力状态中,即使在回风平巷和 运输平巷之间,矿压显现规律都存在明显的差异, 这就使得大倾角煤层的回采巷道难以维护。因此有 必要弄清大倾角煤层回采巷道围岩的破坏和变形规 律,以便采取有效的巷道支护形式和确定合理的支 护参数,提高工作面单产及安全系数,同时也可以 为同类型地质条件下的煤层回采积累丰富的技术经 验。 1 试验工作面概况 试验工作面为赵各庄矿3237西上工作面,位 于13水平西翼2石门,属12煤层,煤层倾角26～ 43,煤层平均厚度10169 m。煤层普氏系数f 017～110,工作面地质构造较复杂,煤层及顶板裂 隙发育、破碎、易冒落。该矿为煤与瓦斯突出矿 井,但试验工作面的煤层和区域为非煤与瓦斯突出 区域,工作面瓦斯相对涌出量11164 m 3 /t,煤层有 自然发火倾向,自然发火期为6～8个月。3237西 上工作面岩性综合柱状分布情况由上往下依次为 灰色粉砂岩厚度为118 m。岩性为泥质胶结,白色 条痕,参差断口,节理发育,破碎;浅灰色细砂岩 厚度为2123 m。泥质胶结,以石英为主,层理发 育,含黄铁矿结核;小煤线,厚012 m;深灰色粉 砂岩,厚度为3141 m。泥质胶结,贝壳状断口, 灰白条痕,质均一、致密,含黄铁矿结核;黑色腐 泥质黏土岩,厚度为512 m。贝壳状断口,褐色油 亮条痕,质脆,易碎,含黄铁矿结核;第12号煤 71 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2008年第11期 煤 炭 科 学 技 术 第36卷 层,厚度为10169 m。该层厚度变化较大;灰色粉 砂岩,厚度为1147 m。泥质胶结,参差状断口, 灰白条痕,含植物根化石及黄铁矿结核;灰色细砂 岩,厚度为2136 m。泥质胶结,以石英长石为主, 水平层理,层面有植物碎屑化石;深灰色粉砂岩, 厚度为5156 m。泥质胶结,贝壳状断口,灰白色 条痕,含黄铁矿结核。 2 观测方法与内容 试验超前支承压力观测站设在工作面上下平巷 距开切眼150 m范围内,在煤壁内安装KSE -Ⅱ- 1型钻孔应力计进行观测。在安设前,首先在距煤 层底板垂直距离112 m处,用直径45 mm型煤电 钻垂直煤壁打5～10 m深的钻孔,打钻孔时应尽量 保持钻孔垂直煤帮,并使孔壁光滑,打完后,吹出 孔内的煤灰。 然后进行安装,钻孔直径不能太大,否则仪器 的应变头充实后不能与煤体充分接触,影响观测效 果。所采用的仪器不能自动加压,无论如何加压钻 孔都难以达到初始应力状态,钻孔应力计的读数只 是支承压力变化的相对值,所以不能完全反映出煤 体中实际支承压力的大小,但可以反映出其变化趋 势和应力集中程度,这并不影响对工作面前方支承 压力的分析。应力计安装好后,要对其施加初始压 力并记录压力表读数,在随后的开采过程中要每天 记录读数。 3 岩移规律的观测结果及分析 311 岩移规律的观测结果 针对赵各庄矿3237西上工作面实际开采情况, 在距上山165和192 m处分别安设2个深基孔观测 站, 2个测站的深基孔设计参数孔口倾角、孔深 和基点位置相同,每个测站布置3个深基点, 分别记录顶煤、直接顶和基本顶的运移情况,具体 内容如图1 图3和表1。 图1 工作面超前支承压力分布 表1 回风巷钻孔应力计读数记录 应力计 读数/MPa 距工作面 相对位移/m 应力计 读数/MPa 距工作面 相对位移/m 91936121619 101034121917 101133131415 101531131913 101630131011 111028121510 11132612118 11172411186 12112211134 12122111112 为了保证观测效果,要求深基点深入工作面长 度大于10 m,以消除边界效应,深基点基本几何 关系如下 L1 LScosαcosβ L2 LScosαcosβ h0 LSsinγ h h0 h1 式中 LS 从孔口至深基点处的实际钢丝长度; L1, L2 从孔口至深基点处垂直于回风巷方向 和轴向的水平长度; h0 从孔口至深基点的垂直高度; h 从煤层底板至深基点的铅垂高度; h1 从孔口至煤层底板的铅垂高度; α 深基孔的仰角; β 深基孔与回风道的水平夹角; γ 煤层倾角。 81 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 孙忠强等大倾角综放工作面超前支承压力实测2008年第11期 通过上述几何关系,求出各深基点的几何参数 值,见表2。 表2 深基点钻孔几何参数值 基点 编号 基点深 度/m 与回风 巷夹角/ { 仰角/ { 沿回风巷 水平投影 长度/m 深入煤 层深 度/m 基点到 底板高 度/m Ⅰ26103021211021211410182 Ⅱ241530521114121203164 Ⅲ241530- 62111012118- 1106 当深基点安装完毕后,立即进行了初次测量, 记录外露钢丝的初始长度,在随后的开采过程中, 每天进行观测,当工作面推进到煤壁附近时,共进 行了23次观测,其详细数据见表3,直观反映规 律如图4和图5所示。正值表示测点位于工作面煤 壁前方,负值表示测点位于采空区方向。 表3 深基孔观测数据 距工作面煤壁 的相对距离/m 顶煤位移/mm 变量累计 直接顶位移/mm 变量累计 基本顶位移/mm 变量累计 25000011 23002212 22222413 20571514 172113826 153141928 1431711019 12522212110 11429113212 10332215214 8234116115 7438420520 674520401535 513589491045 37651160954 31378565660 0885570565 - 21398575772 - 4141121590880 - 53115101001090 - 6101258108898 - 710135121207105 - 9151502014020125 312 结果分析 从实测结果可以得到如下结论 1 通过实测可知,由于顶煤的普氏系数不 同,顶煤开始移动距煤壁的距离也不同,煤质越 软,开始移动越早。顶煤的移动经回归分析符合如 下指数函数 S 114166exp - 01222 1 L 式中,S为顶煤移动量, mm;L为超前工作面距 离, m。 2 在工作面深部,高层位顶煤首先开始移 动,且上部位移大于下部位移,说明这期间顶煤的 位移量主要是以水平位移为主。顶煤在距煤壁6 m 处位移量开始增加。从表3可以看出,随着向煤壁 的靠近,顶煤位移速度加快,当工作面推至基点正 下方时,顶煤位移总量达100 mm以上,说明此时 顶煤已破碎。 3 顶煤开始移动时,裂隙不断扩张,顶煤被 裂隙切割成块体,块体与块体之间形成相互作用、 相互制约的松动膨胀体,这种膨胀体一旦失去约束 作用,便发生移动和冒落,在工作面端面处易造成 漏顶和片帮等事故,到支架上方后,松动膨胀范围 进一步扩大,增加了防止漏顶难度。 4 顶煤的裂隙在开始移动时不是上下贯通 的,而是随着工作面的不断推进、放煤,导致裂隙 逐渐的张开,到工作面煤壁附近时,顶煤的裂隙基 本上达到上下贯通,造成顶煤的垮落角大于90 实测为110左右 , 周期来压时垮落角更大。 91 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2008年第11期 煤 炭 科 学 技 术 第36卷 5 在煤壁前方8～23 m,直接顶和基本顶运 动趋势几乎相同,呈同步联合运动,说明顶板没有 发生明显的离层现象,当距离煤壁小于7 m时,直 接顶位移速度大于基本顶,说明直接顶和基本顶之 间发生了离层或者相互错动趋势,基本顶本身形成 了大结构,该结构的破坏会产生大的来压,造成工 作面煤壁的片帮。 4 结 语 1 通过合理布置测点压力传感器 , 监测 工作面超前支承压力、侧向支承压力变化规律,了 解了2种类型的支承压力峰值深入煤壁的位置,对 赵各庄矿3237西上工作面煤体在采动过程进行高 低应力分区。 2 通过对距工作面煤壁不同距离、不同深度 的测点在不同的时间和空间上的应力变化幅度分 析,为工作面巷道采取局部预松动爆破、打孔卸压 等防冲击地压问题提供指导。 3 为掘进时期巷道选择支护形式和支护结构 提供了科学合理的技术参数。 4 工作面初撑力及支柱载荷分布不均衡,平 均值下部大于中部,中部大于上部。因此,应尽力 避免下部的支柱过压损坏而上部的支柱还有很大的 富余。 参考文献 [1] 杨 科,谢广祥 1综放开采煤层应力分布规律的相似模拟 研究[J ].矿山压力与顶板管理, 2004 2. [2] 谢广祥,杨 科,常聚才,等 1综放采场围岩支承压力分 布及动力灾害的层厚效应[J ].煤炭学报, 2006 6. [3] 贾 民,齐方跃,彭担任 1综放 “ 孤岛 ”开采工作面两巷 矿压显现[J ].矿山压力与顶板管理, 2004 3. [4] 耿献文 1矿山压力测控技术[M ].徐州中国矿业大学出 版社, 2002. [5] 杨 科,谢广祥,常聚才 1综放非对称开采顶煤岩运移数 值分析[J ].采矿与安全工程学报, 2006 2. [6] 李化敏,周 英,翟新献 1放顶煤开采顶煤变形与破碎特 征[J ].煤炭学报, 2000 4. 作者简介孙忠强1980 - ,男,河北唐山人,助教,工学 硕士,现在河北科技大学从事安全工程方面的教学与科研工作。 Tel 0311 - 88632207,E - mailsunzhongqiang801631com 收稿日期 2008 - 06 - 18;责任编辑曾康生 上接第16页 对煤柱实施有效的支撑作用是保证煤柱及巷道围岩 稳定的关键。 2 利用弹塑性极限平衡理论,综合分析得出 了厚煤层分层开采保护煤柱合理宽度的计算式,为 煤柱的合理留设提供了理论依据。 3 利用理论推导公式和相似模拟材料试验验 证得出当活鸡兔矿井首采区上分层保护煤柱的宽 度为20 m,下分层保护煤柱的宽度定为12 m时, 能有效控制煤柱的总变形量,保证了安全生产,对 节约能源起到了积极有效作用。 参考文献 [1 ] 梁为民,郭增长 1采动区建筑物保护研究现状及展望[J ]. 焦作工学院学报, 2003 2. [2] 贾光胜,康立军 1综放开采采准巷道护巷煤柱稳定性研究 [J ].煤炭学报, 2002 1. [3] 李学华,张 农,侯朝炯 1综采放顶煤面沿空巷道合理位 置确定[J ].中国矿业大学学报, 2000 2. [4] QU Qun di .Studyon destressing technology for a roadway driven along goaf in a fullymechanized top coal caving face [J ]. Jour2 nal of Coal Science 责任编辑曾康生 02