急倾斜硬顶中厚煤层开采采空区处理方法研究.pdf

2 o o 3 年4月 矿 业安 全 与环 保 第3 0 卷第2 期 急 倾斜 硬 顶中 厚 煤 层 开 采 采 空区 处 理 方 法 研 究 万玲 ， 魏作安 -一 ， 唐建新 r ， 代 高飞 1 ． 重庆大学资源及环境科学学院， 重庆 4 I X ；2 ． 重庆大学 西南资源开发及环境 灾害 控制 工程教 育部重点 实验 室， 重庆 4 O 0 O 4 4 ；3 ． 南昌有色冶金设计研究院 ， 江西南昌 3 3 0 o 0 2 摘要 通过对铁 山南煤矿1 1 2 回采工作NK 。 煤层的特殊条件分析， 提 出了急倾斜硬顶 中原煤层 开采采空区的处理方法步距式全部陷落法。 经相似模拟试验和现场8 个月的开采实践检验 ， 证 明采 用该方法处理采空区切实可行， 效果很好。 关键词 急倾斜煤层； 坚硬顶板； 采空区； 处理； 方法 中图分类号 T D 8 2 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 0 3 0 2 0 0 l l 一 0 2 1 煤层赋存地质条件 达竹矿务局铁山南煤矿1 1 2 回采工作面位于铁山 南井 田北端， 开采上标高为 1 8 0 m， 下标高为 1 3 0 m， 走向长1 8 0 0 m， 平均倾斜长6 8 m 。工作面地质构造简 单， 无断层及大的裂隙， 煤 岩 层产状稳定； 开采煤层 为1 r 6 煤 系地层 中的K 2 1 煤层 ， 平均厚 1 ． 5 m， 倾 角一 般为4 8 。 5 2 。 ； 老顶为2 0 m厚的厚层状 中粒石英砂岩 ， 砂岩坚硬 ， 层理及节理裂隙均不发育 ， 稳定性 、 整体 性好 ， 难 以冒落 ， 在距煤层5 ． 6 1 m的顶板处有一层8 m 厚的炭质泥岩 ， 将该砂岩分为上下两层 ， 砂岩之上是 泥岩 、 粉砂岩互层 。煤层底板为深灰色泥岩 、 炭质泥 岩、 灰白色铝土岩等软岩， 软岩厚0 ．4 0 ．7 m， 层理、 节 理发育 ， 且含大量煤屑 、 煤条带 、 煤线 ， 粘结性差 ， 松 软易滑， 其间铝土岩 厚1 0 2 0 e m 遇水膨胀成泥 白 膳泥、 观音土 ， 其下为泥质粉砂岩， 厚1 1 ．5 m 。 2 采 空区的处理 方法 2 ． 1 存在的问题 由于地质条件特殊，给K - 煤层1 1 2 I作面的开 采 、 顶底板控制及采空区的处理带来了极大困难。因 为顶板厚而且坚硬， 顶板断裂失稳很难控制， 尤其是 大面积断裂失稳给工作面安全生产带来较大的威 收稿日期 2 0 0 2 - 0 8 2 0 作者简介； 万玲 1 9 6 3 - ， 女， 重庆永川人， 副教授， 在 职博士生， 主要从事岩土力学、 工程力学、 矿业工程方面的教 学与科研 工作 。 一强国瞳嚣 胁 ； 铁 山南煤矿近3 0 a 来在开采急倾斜煤层时 ， 曾采 用过多种采煤方法和多项处理措施，如在工作面内 采取增加支柱的稳定性和提高支护阻力等措施 ， 但 很难达到有效控制顶底板的 目的，在生产实践中效 果都不是很好 ， 均被淘汰。 2 ． 2 处理方法 根据综合分析与研究， 发现对1 1 2 工作面顶底板 控制的重点应放在采空区的处理上。综合该矿所应 用过的各类急倾斜采煤方法的优缺点 ， 再结合1 1 2 工 作面的地质条件 ， 在提 出 “ 走 向长壁分段采煤法”的 基础上 ，对采 空区的处理采 用“ 步距式全部 陷落 法” ， 见图1 。即K 2 。煤层的顶板在工作面支架、 采空区 走向木密集和煤柱的支撑下，从工作面煤壁到采空 区后方一定范围内处于离层状态 ，顶板虽然断裂但 仍处于相对稳定。 随着工作面的推进， 顶板进到采空 区一定距离后 ， 即处于重新压实 区， 顶板荷载明显增 大 ， 煤柱被压跨 ， 木密集折损 ， 顶板进入 采空 区内一 定距离后切落下来。 坚硬顶板随着工作面的推进， 在 采空区内周期性地悬露 ，达到一定距离后 陷落下来 的方式 ， 称为 “ 步距式全部陷落法”。 3 相似模拟试验 为了检验该方法的可行性． 以及摸清工作面顶底 板的活动规律， 在室内进行了相似模拟实验， 取1 1 2 工 作面开采后的倾斜剖面为模拟对象， 模型中取煤层倾 角5 2 。 ， 煤厚1 ． 5 m。考虑到该矿准备回收 1 0 0 r r 冰 平煤 柱， 因此工作面长度取1 0 0 m， 防水煤柱宽取6 o m 。 各相 似 比为 ．1 1． 维普资讯 2 0 0 3 年4月 矿 业安全 与环保 第3 0 卷第2 期 水 平 运 输 巷 道 图1 走向长壁分段采煤法与采空区步距式全部陷落法示意图 几何比 ／ L p l l l 5 0 容重 比 y y ， y P 0 ． 6 时间比 ／ t p l 1 0 强度 比 ， O p ---- - f ， 4 x 1 0 - 3 模型架为转体平面模型，长1 ．5 m、高1 ．2 m、 厚0 ． 3 m， 相似材料以河砂为骨料， 石膏 、 石灰为胶结 体， 按各煤 岩 层的强度选取相应的材料配比。 根据实验结果得出 1 1 l 2 工作面顶板沿倾斜形成3 个较大的断裂 面， 下方断裂面与法线夹角4 5 。 ， 上方断裂面与法线 夹角3 0 o ， 工作面中上部距风巷4 0 m 处有1 断裂面。 2 1 l 2 工作面无冒落带， 只有裂隙带及弯曲下沉 带， 顶板法向3 0 m 范围内， 岩层有明显的断裂和离层 现象， 因此裂隙带高度应为3 0 m， 是采高的2 0 倍。 3 距K 2 - 煤层分别为4 ， 1 6 ， 3 4 ， 5 4 ， 8 4 m 的法向高 度设置了5 排倾斜的位移测点， 在采空区所对应的法 向上方，各排测点的平均位移量分别为一排0 ． 8 6 m， 二排O ． 2 7 m， 三排0 ． 2 1 m， 四排0 ． 1 6 m， 五排0 ． 0 7 m。可 见越靠近工作面位移量越大， 反之越小。 第一排测点 在工作面内的位移方向基本上是沿法向运动，因此 工作面的支柱沿法向支设是合理的。随着远离工作 面， 顶板的位移方向越靠近沿垂方向。 4 现场实践 1 l 2 工作面 2 0 0 1 年7 月1 日开始采用 “ 走向长壁 分段采煤法”和 “ 步距式全部陷落法” 处理采空区， 进行回采， 已开采了8 个月， 沿走向推进了4 O O Il l ， 平 ．1 2 ． 均每月推进了5 0 m， 平均月产量达到了6 3 5 0 t 。在整 个回采过程中， 工作面一直处于安全状态 ， 未发生任 何安全事故 。 对回采初期前3 个月 p 2 0 0 1 年7 ， 8 ， 9 月 的采场 矿压显现进行 了观测 。1 l 2 工作面 自7 月 1 日开始回 采， 至7 月2 6 ， 2 7 日， 工作面煤壁附近和采空区先是出 现异常， 像有闷雷声， 工作面煤壁出现片帮 ， 整个采 场顶板有抖动感。之后采空区后方1 0 m以远的煤柱 全被压垮 ， 走 向木密集被压断 ， 顶板在采空区后方沉 降下来 ， 即发生初次来压。初次来压持续了3 d ， 其中 矿压显现最强烈的时间持续了1 1 0 m i n 。初次来压期 间， 采空区有强烈的矿压显现， 工作面控顶区内除有 煤壁片帮以外， 矿压显现不明显， 最大控顶距处的顶 底板移近量不超过6 c m， 支柱缩量不超过3 c m， 支柱 没有歪斜、 插底 、 推底等现象， 顶板也没有明显的裂 缝 ， 初次来压步距4 2 ．5 m， 略小于理论计算的结果。 第1 次周期来压产生于8 月8 - 9 日， 顶板有断裂声 响， 在采空区后方1 6 - 1 8 m 处， 沿倾斜方向整个顶板 有明显的断口， 并在断口处顶板有台阶下沉， 台阶下 沉量0 ． 2 - 0 ． 5 m， 可以认为在采空区后方1 6 - 1 8 m处老 顶产生了断裂，在工作面煤壁附近老顶也产生了断 裂， 周期断裂步距为l 9 ．5 m E右。 第2 次周期来压产生于8 月2 2 - 2 3 日，来压步距 2 1 m 左右， 第3 次周期来压产生于9 月6 - 7 日， 来压步 距2 2 ． 5 m 左右； 第4 次周期来压产生于9 月1 9 - 2 0 日， 来 压步距l 9 ． 5 m E右；第5 次周期来压产生于9 月2 9 - 3 0 日， 来压步距l 7 ．5 m E右。这几次周期来压的矿压显 现情况均与第1 次相似。这5 次周期来压的步距介于 1 7 ．5 - 2 2 ． 5 m 之间， 平均2 0 m， 与分析计算的结果非常 接近。周期来压期间工作面内矿压显现不明显。 在整个回采过程中，控顶区的顶底板一直都很 完整， 顶板没有明显的裂缝 ， 没有台阶下沉、 没有局 部 冒顶 ， 顶板下沉量小 ， 支柱受力小 ， 木柱帽及木底 梁都没有明显 的压缩和变形 。 5 结语 由于赋存条件的限制，使得在开采急倾斜硬顶 中厚煤层时， 如何有效地处理采空区， 成为一个非常 棘手的问题。因为处理不当不仅会造成经济损失， 而 且会产生人员伤亡的安全事故。 所以， 在综合研究分 析的基础上 ， 提出 “ 步距式全部陷落法” 处理采空 区， 经实验模拟和现场实验检验， 效果很好， 可供相 似矿井借鉴使用。 责任编辑 熊云威 维普资讯