辛置矿大采高工作面覆岩运移及超前支承应力分布规律研究(1).pdf

煤炭与化工 Co a l a n d Ch emica l In d ust r y 第43卷第6期 2020年6月 Vo l .43 No .6 Jun . 2020 采矿与井巷工程 辛置矿大采高工作面覆岩运移及超前支承应力分布规律研究 郑田野 霍州煤电集团辛置煤矿，山西霍州031412 摘 要为掌握辛置煤矿2号煤层大采高工作面回采作业应力分布及覆岩运动规律，具体分 析工作面覆岩三带及超前支承压力分布规律，采用理论、模拟与实测相结合的手段，对超前 支承压力分布进行现场实测分析。结果表明，大采高工作面覆岩垮落带、裂隙带的发育高度 分别在17-25 m和3035m,工作面超前支承压力的范围为50 mo 关键词大采高；钻孔应力计；超前支承压力 中图分类号TD823 文献标识码B 文章编号2095-5979 2020 06-0005-04 Study on the moving rock law and the distribution of advanced support stress in large mining depth working face of Xinzhi Mine Zh en g Tia n ye Xinzhi Mine, Huozhou Coal and El ect ricit y Group, Huozhou 031412, China Abst r a ct In o r d er t o ma st er t h e st r ess d ist r ibut io n a n d o ver bur d en mo vemen t l a w d ur in g t h e min in g o per a t io n o f t h e No . 2 co a l sea m in Xin zh i Co a l Min e, t h e d ist r ibut io n l a w o f o ver bur d en zo n es a n d a d va n ced bea r in g pr essur es in t h e wo r k in g fa ce wer e specifica l l y a n a l yzed . Th e o ver bur d en zo n es wer e d ist r ibut ed usin g t h eo r y, simul a t io n a n d a ct ua l mea sur emen t . Th e pr essur e d ist r ibut io n o f t h e a d va n ced suppo r t wa s specifica l l y a n a l yzed usin g o n -sit e mea sur ed a n a l ysis met h o d s. Th e r esul t s sh o wed t h a t t h e d evel o pmen t h eig h t s o f t h e o ver bur d en co l l a pse zo n e a n d fr a ct ur e zo n e in t h e l a r g e min in g d ept h wo r k in g fa ce wer e in t h e r a n g e o f 17 25 m a n d 30 35 m r espect ivel y; t h e r a n g e o a d va n ced bea r in g pr essur e in t h e wo r k in g fa ce wa s 50 m. Key wo r d s l a r g e min in g h eig h t ; d r il l in g st r ess g a ug e; a d va n ced suppo r t pr essur e 1工程概况 山西焦煤霍州煤电集团辛置煤矿2-216综采 工作面310水平二采区正前轨道巷左侧，东北面 紧邻二采区正前轨道巷，东面距离2_206工作面 约310 m,主采2号煤层，煤层均厚4.1m,平均 倾角为9。，工作面顶底板岩层特征如图1所示。 2-216 I作面采用大采高综采采煤工艺，设置采 高为4.1 m,循环进度为0.8 m,工作面液压支架 选用ZY10000/26/55掩护式液压支架，支架的工作 阻力为10 000 k N,为掌握大采高工作面回采期 间上覆岩层的运动规律及超前支承压力的分布， 并指导后续工作面安全生产，展开理论及实测研 究分析。 2覆岩运动规律 2.1覆岩三带理论分析 基于众多理论研究及现场实践表明Hl ,采用 全部垮落法管理采空区，工作面在回采过程中， 随着回采作业上覆岩层会呈现出明显的分带现象, 随着距离回采工作面高度的增大，根据区域的岩 层变形特征依次将覆岩划分为垮落带、裂隙带和 弯曲下沉带。 1 垮落带。破断后的岩块松散系数比较大, 责任编辑郭媛媛 DOI 10.19286/ k i.cci.2020.06.002 作者简介郑田野1991,男，山西洪洞人，助理工程师。 引用格式郑田野.辛置矿大采高工作面覆岩运移及超前支承应力分布规律研究[J]・煤炭与化工，2020, 43 6 5- HnHn 为上覆岩层导水裂隙带的发育高度，m; M为工作 面煤层的开采高度，mo基于式1和式2, 结合工作面的具体地质条件，能够计算得出工作面 垮落带和裂隙带的发育高度分别为10.71 - 14.71 m 和 45.5 51 mo 2.2覆岩三带模拟分析 为研究分析2-216工作面在回采作业上覆岩 层三带的发育规律，根据辛置煤矿2-216大采高 综采工作面的具体地质条件，采用UDEC模拟软 件，建立长x高300 m x 210 m的数值模型，根 据数值模拟结果具体分析工作面推进不同距离时 覆岩的运动状态，工作面在推进10、40、120和 140 m时围岩塑性区的发育规律进行具体分析， 结果如图2所示。 由图2可知，随着工作面回采作业的进行，上 覆岩层塑性区的发育深度逐渐增大，回采10 m时, 基本顶岩层未出现破坏，塑性破坏基本出现在宜接 顶岩层内；回采40 m时，采动影响已经传递至覆 岩的基本顶岩层，直接顶岩层在回采区域大部分均 处于塑性破坏状态，且逐渐向采空区垮落，覆岩 基本顶岩层在采空区中部区域也出现塑性破坏； 在回采工作面向前推进140 m后，随着回采作业 的进一步进行，上覆岩层基本不再会出现垮落、 塑性破坏的状态，只会出现上覆岩层整体弯曲下 沉变形的情况，即此时工作面上覆岩层的运动基 本达到稳定状态，垮落带和裂隙带的发育高度分 别为25 m和30 m0 a 回采l Om 6 郑田野；辛置矿大采高工作面覆岩运移及超前支承应力分布规律研究2020年第6期 c 回采 120 md 回采 140m 图2工作面回采过程中塑性区发育 Fig . 2 Pl a st ic zo n e d evel o pmen t d ur in g r eco ver y min in g o f wo r k in g fa ce 2.3覆岩三带实测分析 为进一步对覆岩三带的分布规律进行分析，采 用岩层钻孔探测仪器对钻孔围岩裂隙结构发育进行 分析，采用YZB型岩层钻孔探测仪进行窥视作业, 在滞后工作面11.5 m的位置处，打设窥视钻孔, 窥视结果如图3所示。 图3滞后工作面11.5 m处顶板钻孔窥视 Fig . 3 Peep t h r o ug h r o o f bo r eh o l e a t 11.5 m o f h yst er esis wo r k in g fa ce 通过图3可知，距离工作面11.5 m,在距离工 作面顶板17.3 m,钻孔出现明显错断，错距大25 mm,同时断裂处有水涌出（之前无水），钻孔涌 出水在距离工作面8 m、距离底板12 m的地方水 流消失，初步判断工作面垮落带至少有17 m0 3超前支承压力分布 对工作面回采过程中超前支承压力分布规律分 析，采用现场实测的方式进行何，本次超前支承压 力测试在距离工作面切眼230 m,实体煤帮安装钻 孔应力计，钻孔参数为48mmx2m和048 mm X 15 m的两种钻孔，在工作面回采过程中进行 钻孔应力计压力的持续观测作业。 钻孔深度为2 m的钻孔应力计曲线，如图4 所示。 工作面回采过程中，超前工作面区域受到采动 龙 00 8 6 4 2 1 8 6 4 2 8 6 4 2 1 8 6 4 2 L L L L l n - n - n n L L L L l n - n - n n 1 A 1 A 1 1 1 1 1 1 1 1 1 A 1 A 1 A 1 A 1 1 1 1 1 1 1 1 1 A 1 A 00 系5 S 9 00 6 O I 00 00 00 00 00 00 日期 图4深度2m超前支承压力分布随时间变化曲线 Fig . 4 Cur ve o f a d va n ced pr essur e d ist r ibut io n a t 2 m d ept h ch a n g in g wit h t ime 7 2020年第6期 煤炭与化工 第43卷 影响主要出现在前方47 m的范围内，超前工作面 3447m煤体的应力数值，在采动影响下不断增 大，这即表明该区域范围内煤体基本未出现塑性破 坏；超前工作面13 - 34 m,该范围内钻孔应力计 的数值增长值进一步增大，该区域受到采动影响的 程度进一步增大，同时随着钻孔距离工作面距离的 减小，应力数值在逐渐减小，这即表明，该区域煤 体随着回采作业的进行逐渐进入到塑性破坏状态； 在超前工作面小于13 m的范围内，该区域煤体的 应力数值较低，且随着回采作业的进行会呈现逐渐 降低的趋势，应力数值远小于初始应力值，表明该 区域煤体已经处于塑性破坏状态，煤体最终残余强 度为2 MPa。 钻孔深度为15 m时钻孔应力计曲线如图5 所示。 钻孔应力计在超前工作面51 m时开始受到采 距离巷道煤帮15 m 日期 图5深度15 m时超前支承压力分布随时间变化曲线 Fig . 5 Cur ve o f a d va n ced pr essur e d ist r ibut io ii a t 15 m d ept h ch a n g in g wit h t ime 动影响，超前工作面24 20 m是弹性应力增强区 间，超前工作面小于20 9 m,煤体进入塑性增强 阶段，煤体支撑能力达到峰值，随着工作面的继续 推进9 m,支承应力出现突然降低的现象，最终 残余强度为1 MPa。 通过对以上数据的分析，可以得出以下结论。 1 工作面超支承压力的区域在前方50 m范 围内，压力数值基本为10 MPa ,随着越靠近巷道， 煤体所能承受的载荷越大，充分说明现有的锚杆支 护能够提供强有力的支护力。 2 超前支承压力作用下，当工作面前方煤 体达到其极限强度破坏后，煤体的应力数值出现急 剧下降的现象，且其残余强度很低；巷道煤壁在煤 壁支撑应力达到峰值之后，仍能维持较高的强度缓 慢下降，保证煤体的自稳能力，体现出锚杆对煤体 残余强度的作用。 3 在大采高综采工作面回采过程中，在超 前工作面0 13 m,煤体的整体支撑能力较低，塑 性破坏严重，易出现煤体失稳的现象；超前工作面 13 34 m煤体的完整性较好，具有一定的承载能 力，该范围的煤体内仍存在着部分区域的煤体处于 塑性破坏状态；故基于上述分析得出巷道超前支护 范围应大于34 m。 4结语 根据2_216工作面地质条件，基于理论、模拟 和实测手段进行上覆岩层三带分布规律分析，得出 垮落带、裂隙带的发育高度分别为17-25 m和 30-35 m,在2-216 I作面回采期间，通过现场实 测得出工作面超前支承压力的影响范围大致为50 m,为2号煤层大采高工作面的开采提供一定的参 考和借鉴。 参考文献 [1] 刘中洋，刘 辉，宋增路.大埋深工作面超前支承压力影响 范围实测研究[J].煤矿机械，2018, 39 11 56 - 57. 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