不同岩性顶板回采工作面矿压分布规律.pdf

第 3 4巷 第 6期 2 X 6年 1 2月 煤田地质与勘探 C OA L G EO L O GY ＆ E X P L OKA T I O N Vo 1 ． 3 4 N o ． 6 De c． 文章编号 1 0 0 1 ． 1 9 8 6 2 0 0 6 0 6 ． 0 0 1 9 0 3 不同岩性顶板 回采工作面矿压分布规律 孟召平， 李国富， 雷志勇， 马 辉 ， 孟凡彬 中国矿业大学资源与地球科学系， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 采用数值模拟技术和现场矿压观测 系统 ， 研究了不同岩性顶板回采工作面矿压分布规律及其 显现特征。结果表明， 在煤炭开采过程 中， 不同岩性顶板回采3 -_ 作 面最大支承应力存在一定差异， 在强度较高的砂岩顶板岩体中， 支承压力大， 工作面前方支承压力峰值距工作面距离小， 初次来压 步距和周期 来压步距大， 矿压显现强烈； 而在强度较低的泥岩顶板 区， 顶板岩体不能和砂岩骨架层 一 样抵抗覆岩压力， 且支承压力小， 支承压力的峰值 向回采工作面前 方岩体 内部推移， 初 次来压步 距和周期来压步距小， 矿压显现不明显。 关键词 煤层顶板 ； 岩性 ； 回采工作面； 矿压 ； 分布规律 中图分类号 T D 8 2 T D 3 1 5 文献标识码 A Di s t r i b utio n o f u n d e r g r o u n d p r e s s ur e f o r W o r k i n g f a c e un d e r d i f f e r e nt l i t h o l o g i c al c h a r a c t e r s o f c o a l r o o f ME N ； Z h a o p i n g 。U G u o fi l ，I I Z h i - y o n g ，MA Hu i 。ME N G F a n - b i n D e p a r t m e n t o fR e s o u r c e a n d G e o s c ie n e e o f C h i n a U n i v e r s i t y o fMi n i n g T e c h n o l o g y-既 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h e u n d e r g r o u n d p r e s s u r e s o f l o n g w a l l f a c e w i t h d iff e r e n t l i th o l o c al c h a r a c t e r s o f c o a l r o o f a n d i t s p h e n o m e n o n a r e s t u d i e d b y u s i n g t h e n u me r i c a l s imu l a t i o n t e c h n i q u e a n d s t r a t a c o n tr o l o b s e r v a t i o n ． T h e r e ．a r c h r e s u h s s h o w th a t i n t h e p r o g r e s s o f c o a l mi n i n g 。t h e r e i s c e r t a i n diff e ren c e i n ma x i m a l a b u tm e n t s t r e s s o f l o n g w a l l f a c e w i th diff e r e n t l i t } 1 0 l 0 c a 1 c h a r a c t e rs o f c o a l r o o f ， The s and s t o n e r o o f w i th h i g h e r s t r e n h h a s a l o n g e r di s t a n c e o f i n i ti a l w e i g h r i n g a n d p e ri o d i c w e i g h t i n g ， th e a b u t me n t s t r e s s a h e a d o f the w o r k i n g f a c e i s b i g g e r 。the d i s t a n c e b e t w e e n t h e p e a k p o s i t i o n o f t h e abu tme n t s t r e s s and w o r k i n g f a c e i s s ma l l e r a n d the p h e n o me n o n o f un d e r g r o u n d p ms s e i s i n t e n s e．I t i s o n t h e c o n t r a r y i n c a s e o f t h e mu d s t o n e r o o f wit h l o w e r s t r e n g t h． Th e dis la n c e o f i n i t i a l w e i ght i n g a n d per i o d i c w e i ght i n g i s s h o r t e r ； th e abu tme n t s t r e s s o n t h e w o r k i n g f a c e i s s m a l l e r 。 t h e pea k p o s i t i o n o f abu t me n t s t r e s s u a n s f e rs t o t h e i n t e r o f r o c k ma s s a h e a d o f w o r k i n g f a c e a n d t h e p h e n o me n o n o f un d e r g r o un d p r e s s u r e i s n o t o b v i OUS． Ke y wo r d s c o a l r o o f ；l i tho l o oc c h a r a c t e r ；w o r k i n g f a c e ；u n d e r g r o u n d p r e s s u r e ；dis t r i b u t i o n p rop e r t y 1 引言 影响岩石力学性质的因素很多 ， 除了受 力条件 和赋存环境等外在 因素影响外 ， 沉积岩石 的岩性等 内在因素起着决定性的作用_ I 。国内外学者对岩 石成分和结构与岩石力学性质之问的关系进行 了分 析 ， 初步建立 了岩石 强度 与颗粒 大 小之 间的相关 性l3 一 ’ j 。这些认识促进了人们对不同岩性岩石力学 性质的关注 ] ， 并将研究成果开始应用到煤层顶 板稳定性评价中， 已取得了好的效果 q 。 。但 由于 准确的顶板岩性资料和岩石力学资料的缺乏 ， 使对 煤层顶板稳定性的认识受到一定限制， 因此， 加强煤 层顶板岩性及其矿压分布规律的研究 ， 对于揭示煤 炭开采过程中顶板稳定性和相关工程力学 问题的内 在机制具有理论和实际应用意义。本文采用数值模 拟技术和现场矿压观测系统 ， 研究了不 同岩性顶板 回采工作面矿压分布规律及其显现特征， 为煤炭开 采 中顶板岩层控制提供了理论和实验依据 。 2 不同岩性顶板回采工作面矿压分布规律 数值模拟结果表明， 沉积岩性对矿压有着重要 的影响。相同采深条件下， 回采工作面前方不同岩 性顶板的最大支承应 力有一定差异， 表现 为砂岩最 大 ， 砂质泥岩次之 ， 泥岩最小 图 1 。 收稿日期 2 0 0 6 O 1 ． 2 3 基金项目 全国优 秀博上学位论 文作者专项资金资助项 目 2 0 0 2 4 7 ； 高等学校博士学科点 专项科研基金 资助课 题 2 0 0 5 0 2 9 0 0 0 9 ； 教育部留学回囤人员科研启动基金资助项 目和国家 自 然科学基金资助项 日 4 0 1 7 2 0 5 9 联合资助 作者简介 盂召平 1 9 6 3 一 一 ， 男， 湖南泪罗人， 中国矿业大学教授 、 博士， 博士生导师， 从事矿井地质及工程地质研究 ． 维普资讯 2 0 煤 田地质与勘探 第 3 4卷 甜 皋 一 2 0 1 5】 一 4 0 - 2 0 0 2 0 4 0 0 0 距工作面水平距离／ m 一 4 0 -2 0 0 2 0 4 0 6 0 距工作面水平距离／ Ⅲ 甜 刍 ＼ { 鸷 一 2 0 l - 4 0 - 2 0 0 2 0 4 0 6 0 距 I 作 面水平距离／ 舶 b 甜 量 ＼ 型 一 4 0 2 0 0 2 0 4 O 6 O ． 距上作面水平距 离／ m a 图 1 回采工作面不同岩性顶板垂直主应力分布图 F i g ． 1 Ve r t i c a l s t r e s s o f c o a l r o o f 0 f w o r k i n g f a c e u n d e r d i ff e r e n t l i t h o l o g y a 采深 5 0 0m； 采深 7 0 0m； 一采深 9 0 0m；d 采深 1 1 0 0m 如采深为 5 0 0 m时， 砂岩、 砂质泥岩和泥岩顶 增加， 上覆岩层的位移量逐渐加大 图2 。 板， 回采工作面前方最大支承应力分别为2 2 ． 9 7 M P a 、 2 1 ． 1 8 M P a 和 2 0 ， 3 9 M P a ， 应力集中系数分别为 1 ． 5 、 1 ． 3 9和 1 ． 3 4 ， 3种岩性在相 同采深下 ， 差异约为 8 ． 4 ％一 1 2 ． 6 ％。随着开采深度的增加， 不同岩性直 接顶对回采工作面前方主应力的影响呈现出与上述 变化相似的规律 表 1 。回采工作面前方最大支承 压力位置， 随着岩性由砂岩、 砂质泥岩到泥岩顶板而 稍微有所变化， 最大支承应力峰值位于工作面前方 大约 8 ～ 1 0 m ， 且砂岩顶板位于回采工作面上方， 而 砂质泥岩和泥岩顶板回采工作面位置稍微大一些， 这是由不同岩性岩石力学强度所决定的。 表 1 回采工作面前方最大支承应力及其应力集中系数统计表 T a b l e 1 M a x h n a l a b u t me n t s t r e s s a n d C O l l ie c o e ff i c i e n t l md ‘ md p r e s s u r e i n f r o n t wo i i d l f a c e 由于顶板岩性的差异， 直接控制着煤层顶底板 岩层的变形和破坏规律。数值模拟结果表明， 在相 同采深时， 泥岩顶板下上覆岩层移动量最大； 砂质泥 岩次之； 而砂岩的上覆岩层移动最小。随着采深的 3 不同岩性顶板矿压显现特征 为了研究岩性对矿压分布规律的影响， 在淮南 潘三井田 1 2 2 1 工作面设置了5 条实际观测线， 架号 分别为 3 、 2 6 、 4 9 、 7 2 、 9 3 。每条线安装 2 块 ⅥL一 6 1 0型圆图仪， 分别记录前柱和后柱的压力变 化情况。 根据每条测线压力 自动记录仪记录的原始资 料， 绘制出支护阻力沿工作面推进方向的分布曲线， 以判断老顶来压步距 图3 和图4 。结果表明， 1 2 2 1 工作面 2 6 架左右初次来压步距为4 1 m ， 第 1 次周期 来压步距为 1 8 m， 第2 次周期来压步距为 1 2 ． 5 m； 4 9 架左右初次来压步距为4 1 m， 第 1 次周期来压步距 为 1 9 m ， 第 2 次周期来压步距为 1 2 m 图3 和图4 ， 其余各架观测情况也基本相同。 初次来压步距 4 1 m ， 来压持续时间长， 前后达 两个圆班， 来压从中部向两端延伸， 并主要集中在中 部。来压时， 安全阀卸液明显， 工作面片帮加剧， 圆 图记录仪数据增阻较快， 最大压力值均达到了支架 的额定工作阻力。由于顶板岩性的变化， 周期来压 步距不同， 第 1 次周期来压 l 8 1 9 m， 第 2 次周期来 压 1 2 ～ l 2 ． 5 m ， 2 次周期来压步距相差 5 ． 5 7 m 。 观测结果表明， 在顶板砂岩区周期来压步距大， 而顶 板泥岩区周期来压小， 工作面矿压显现不明显， 从圆 图自记表上可以看出持续时间在 2 0 h以内， 只局部 出现片帮掉顶现象 图 3和图 4 。 4 结论 a ． 不同岩性岩石， 由于其矿物成分、 含量、 颗 粒大小及胶结物成分与胶结类型不同， 所表现出来 维普资讯 第6 期 孟召平， 李国富等 不同岩性顶板回采工作面矿压分布规律 芒 旺 距工作面水平距 离／ m 8 0- 5 0- 2 0 1 0 4 0 7 0 ． 泥岩 砂质泥岩 砂岩 距 工作 面水平距 离／ Ⅲ 一 8 O 一5 O 一 2 O 1 O 4 O 7 O 泥岩 砂质泥岩 砂岩 距工作面水平距离／ m 一 8 O 一5 O 一2 O 1 O 4 O 7 O _ _泥岩 砂质泥岩 砂岩 H ⋯ 距工作面水平距离／ m - 8 0 - 5 0 2 0 1 0 4 0 7 0 譬 十 泥岩 砂 质泥 岩 砂 岩 U 图 2 回采工作面不同岩性顶板垂直位移分布图 F i g ． 2 V e r t i c a l d i s p l a c e me n t o f c o a l r o o f o f w o r k i n g f a c e u n d e r d i ff e r e n t l i t h o l o g y a采深 5 0 0mI b 采深 7 0 0m； c 采深 9 0 0m；d 采深 l 1 0 0m 初次来压步距 4 1 m 周期来压步距l 8 m周期来压步距1 2 ． 5- 砂岩 砂岩 泥岩 图3 第 2 6 架支护阻力分布图 F i g ． 3 D i s t r i b u t i o n d i a g r a m o f s u p p o r t res i s ta n c e i n t h e 2 6 s u p po rt 6 0 5 0 肇4 0 岛 3 0 2 0 l 0 0 初次来压步 距4 1 m 周期来匪步 距1 9 m 周期来压步距1 2 m 砂岩 砂岩 泥岩 图 4第 4 9架支护阻力分布图 F i g _ 4 D i s t r i b u t i o n d i a g r a m o f s u p port re s i s ta n c e i n th e 4 9 s u p po rt 的力学性质不同， 在煤炭开采过程 中不 同岩性顶板 回采工作面最大支承应力存在一定差异。在强度较 高的砂岩顶板岩体中， 支承压力大， 工作面前方支承 压力峰值距工作面距离小 ， 初次来压步距和周期来 压步距大， 矿压显现强烈； 而在强度较低的泥岩顶板 区， 支承压力小， 支承压力的峰值向岩体内部推移， 初次来压步距和周期来压步距小， 矿压显现不明显 。 b ． 相同采深时， 泥岩顶板上覆岩层移动量最 大， 砂质泥岩次之， 而砂岩的上覆岩层移动最小。随 着采深的增加 ， 上覆岩层的位移量逐渐加大。 参考文献 [ 1 ] 肖树芳 ， 杨淑碧 ．岩体力学 [ M] ． 北京 地质 出版社 ， 1 9 8 7 1 6 [ 2 ] 孟召平， 彭苏萍． 含煤岩系岩石力学性质控制因素探讨[ J ] ． 岩 石力学与工程学报 ， 2 0 0 2 ． 2 1 1 1 0 21 0 6 ． [ 3 ] R o b e r t s o n E C ． E x p e r i m e n t a l s t u d y o f th e s t r e n g th o f r o c k s [ J ] ． B u l l G e o l S ec A m ，1 9 9 5， 6 6 1 2 7 5 1 3 1 4． [ 4 ] H a t z o r Y H，P a l c h i k V．T h e i n fl u e n c e o f g r a i n s i z e a n d p o r o s i t y o n c r a c k i n it i a t i o n st l S S m a d c r i t i c a l f la w l e n s i n d o l o m i t e s [ J ] ． I n t J R o c k M e c h M i n S c i ＆G oom e c h A b st r ．1 9 9 7 ． 3 4 5 8 0 58 1 6 ． [ 5 ] D r e y e r W． The s c i e n c e o f r o c k m e c h a n i c s ． P a r t I [ c ] ∥ 1 1 1 e st r e n g th p rop e r t i e s o f r o c k s ，2 e d．S e r i e s 0 11 r oc k an d s o il me c h a n i c s ，v o 1 ． 1 1 9 7 1 ／ 1 9 7 3 。 N o ． 2 ． C l a u s t l1 a l T r a n s T e c h P u b l i c a t i o n s ，1 9 7 3 5 0 0 ． [ 6 ] F a h y M P ， G u c c i o n e M J ． E s t i m a t i n g t h e s t r e n g t h o f s a n d s t o n e u s i n g p e t r o g r a p h ic thi n s e c t i o n d a t a [ J J ．B u l l I n t A s s oc E n g G e o l 。 1 9 7 9 ，1 6 4 4 6 74 8 5． [ 7 ] 孟召平。 彭苏萍． 煤层顶底板岩石成分和结构与其力学性质的 关系[ J ] ．岩石力学 与工程学报 ， 2 0 0 0 ， 1 9 2 1 3 6 1 3 9 ． [ 8 ] 周瑞光． 山东龙口北皂煤矿软岩力学特性试验研究[ J ] ． 工程 地质学报 ， 1 9 9 6 ； 4 4 ， 5 5 6 0 ． [ 9 ] M e n g Z h a o p in g ， P e n g S u p i n g 。 i Ii G u o q i n g ． I nflu e n c e o f L i th o l o g i c a l C h a r a c t e r s o f C o a l B e a ti n g F o r ma t i o n o n the C o a l R o o f S t a b i l it y l J J ． J o u r n a l o f C h i n a U n i v e r s it y o f Mi n i n g ＆ T e c h n o l o g y ， 2 0 0 3 ，1 3 1 1 6． [ 1 O ] 葛道凯． 平顶山矿区综采面顶板稳定性的沉积模式[ J ] ． 煤炭 学报 ， 1 9 9 4 ，1 9 2 1 7 0 1 7 ． 维普资讯