枣泉煤矿T-2火烧区下开采模拟实验.pdf

第 29卷 第 4期 2009年 7月 西安科技大学学报 JOURNAL OF XI AN UNI VERSI TY OF SCI ENCE AND TEC HNOLOGY Vo.l 29 No4 July 2009 文章编号1672- 9315 2009 04- 0379- 05 枣泉煤矿 T- 2火烧区下开采模拟实验 * 柴 敬 1, 张建星1 , 2, 魏 成3, 陈治中3 1. 西安科技大学 能源学院, 陕西 西安 710054; 2 . 郑州煤业集团, 河南 郑州, 454000; 3 . 神华宁夏煤业集团, 宁夏 灵武 751409 摘 要 宁东矿区的火烧区普遍存在充水。为了预防 T - 2火烧区积水给枣泉煤矿安全生产带来 的隐患, 采用相似模拟实验的方法, 研究 12104和 12206工作面开采后覆岩的垮落特征和火烧区 岩层移动情况。实验表明, 12104工作面开采对火烧区无影响, 12206工作面的开采对火烧区积水 的影响明显, 必须采取措施在掘进和回采期间探放水。 关键词 火烧区; 覆岩垮落; 地表下沉; 模拟实验 中图分类号 TD 325 . 3 文献标志码 A 水灾是煤矿生产中比较常见的事故, 这类事故突发性强, 对矿井危害严重, 可以在极短的时间内给矿 井或者局部区域巷道造成毁灭性的灾难。如 2003年湖南省涟源市七一煤矿石坝井 - 160m 水平水仓扩 容掘进工作面发生的水害事故, 2004年乌海市海南区鑫源煤矿发生的特大透水事故, 均造成重大人员伤 亡 [ 1 3]。宁东矿区是我国建设的 13个亿吨煤炭基地之一, 该区煤层浅部普遍存在火烧区, 火烧区充水影 响着矿井的安全生产。枣泉煤矿 12104与 12206工作面受其上部 T- 2火烧区积水的严重威胁, 为了消除 隐患, 利用相似材料模拟实验方法模拟煤层实际开挖过程 [ 4 8], 观测模型上覆岩层由于开挖所引起的移 动、 变形和破断情况, 为开采提供实践指导意见。 1 枣泉煤矿地质概况 神华宁煤集团枣泉煤矿为碎石井背斜构造, 矿井以背斜轴分为东井和西井, 可采煤层为一煤和二煤。 一煤厚度 2 4m, 倾角 15 26 , 其直接顶为细砂岩, 厚度为 3 . 28m; 老顶为粗砂砾岩, 厚度为 85m, 无伪 顶; 伪底为泥岩, 厚度为 0 . 3 m, 底板为细砂岩, 厚度为 3 . 53 m, 遇水变软。二煤厚度为 8 . 2 8 . 56m, 倾角 为 17 22 , 其伪顶为炭质泥岩, 厚度为 3 . 3m, 直接顶为炭质泥岩, 厚度为 2 . 7m; 老顶为细粒砂岩, 厚度 为 2. 1m; 伪底为泥岩, 厚度为 0 . 54m; 底板为细粒砂岩, 厚度为 2 . 6 m。 根据三维地震、 电法、 磁法勘探结果, T- 2火烧区烧变面积约 0 . 405 km 2, 烧变最深为 1 305m 水平, 水位高程为 1 334 . 66m, 埋深 29m, 体积储量为 1. 49万 m 3。 枣泉煤矿 12104和 12206工作面分别位于一煤、 二煤中, 走向长分别为 1 491和 1 704m, 工作面倾向 长均为 200m, 平均埋深分别为 145和 178m。 12104和 12206工作面的斜上方为 T - 2火烧区, 其受 T- 2 火烧区影响范围距东副斜井分别为 607 1 325m 和 856 1 150m。 2 相似模拟实验设计 2 . 1 模型设计 12104和 12206工作面采用倾斜长壁采煤法, 推进过程中需跨越 T- 2火烧区, 12104风巷和 12206风 巷距火烧区最近距离分别为 78 . 5和 55 . 5m。为了实现对 12104和 12206工作面开采后覆岩的垮落研究, *收稿日期 2009- 03- 11 基金项目 国家自然科学基金资助项目 50774060 作者简介 柴 敬 1964- , 男, 宁夏平罗人, 博士生导师, 教授, 主要从事采矿工程、 实验岩石力学等方面的教学和科研工作. 选择与火烧区最近的地方沿工作面倾向方向作剖面, 铺装成 2 . 15 m的平面应力模型, 由 12104 , 12206工 作面机巷的位置分别向上开采模拟煤层, 当开采至风巷时结束, 以此来模拟 12104 , 12206工作面推过火烧 区最近位置时上覆岩层的垮落形态。根据相似材料模拟的特点、 枣泉煤矿综合柱状图和地质资料, 设计 几何相似比为 1200, 密度比为 11 . 5 [ 2, 3], 模型铺装高度为 1 . 25 1 . 3m, 其中煤系地层 1 . 15 1 . 25m, 表 土层厚度 0 0. 15m, 一号煤层平均厚度 3 . 5 m, 模拟煤层厚度 2 cm, 二号煤层平均厚度 8 . 2 m, 模拟煤层 厚度 4 cm。按照相似原理, 煤系地层分层铺装, 表土层分 3次铺装, 铺装时将模型架调整为倾角 29 , 平面 模型如图 1所示。 图 1 相似材料模型及测点布置 F ig . 1Si mulation experi ment and its testing point layout 2 . 2 实验过程 12104工作面每次开挖距离 5 c m, 一次采全高, 实 验共计开挖 20次, 工作面推进距离 100 c m。开切眼位 置距实验架右侧边界 30 c m, 下部边界 57 c m, 沿煤层倾 向从下向上开挖, 开挖时间间隔大于 20 m in , 每次开挖 前记录百分表读数, 用全站仪观测周围测点位移变化。 12104工作面 1 . 5 d开挖完毕。 12206工作面采用放顶煤开采, 一采一放, 采高 3 cm, 放顶煤 5 c m, 每次开挖 3 c m, 共计开挖 34次, 工作 面推进距离 100 cm。开切眼位置距实验架右侧边界 55 cm, 下部边界 52 cm, 沿煤层倾向从下向上开挖, 开挖、 放顶时间间隔均大于 20 m in, 记录百分表读数, 用全站仪观测周围测点位移变化。 12206工作面 4 d开挖 完毕。 2 . 3 模型测点布置与测试 为了测试实验过程中上覆岩层的移动, 在模型的地表布置百分表 8个 图 1所示 , 模型从左向右百 分表编号分别为 1 8 , 百分表 1 2布置在 T- 2火烧区的位置, 百分表间距 20 c m。沿模型表面布置位移 测点共 88个, 其中煤系地层 80个, 表土层 8个。测点行间距均为 10 cm。采用 R- 325NX全站仪观测, 全 站仪测量精度为 ∀ 2 mm 2 - 6 D mm [ 9 10]。 3 实验结果及其分析 图 2 12104工作面开采后上覆岩层垮落情况 Fig .2 Overburden caving after the mining of12104 face 3 . 1 12104工作面开采 3 . 1 . 1 上覆岩层活动和裂隙发育 12104工作面由开切眼开始推进, 推进到 20 c m 时有离层 出现; 推进到 25 cm时直接顶开始垮落; 在推进 25 55 cm的 过程中, 每开挖 5 cm顶板垮落一次, 上覆岩层出现弯曲下沉 现象, 弯曲下沉岩层中存在离层; 推进到 75 c m 时表土层与基 岩出现裂隙; 推进到 100 c m 时弯曲下沉带延伸至地表。工作 面开挖完毕后, 上覆岩层形成明显的 ∃三带 结构, 冒落带高度 为 8 13 . 2 cm, 冒落岩块较破碎, 最大长度为 3 . 6 cm; 裂隙带 高度为 8 20 . 1 c m, 在开挖过程中共出现 13个离层, 离层最大长度为 35 . 3 c m, 最大宽度为 1 . 8 c m; 弯曲 下沉带延伸至地表, 基岩与表土层之间有裂隙出现, 裂隙宽度为 0 . 6 c m, 上覆岩层垮落情况如图 2所示。 3 . 1 . 2 岩层位移特征 根据 12104工作面开挖前后测点观测结果绘制部分测点下沉曲线如图 3所示 虚线表示 12104工作 面开采 。位于火烧区的测点 b15, c13没有位移变化, 说明测点周围的岩层没有位移发生, 12104工作面的 开采不受 T- 2火烧区的影响; 分别位于冒落带和裂隙带内的测点 d4, f7, 在开挖前 35 cm过程中没有位移 变化, 推进到 35 cm时开始有位移变化, 开挖完毕后, 最大下沉量分别为 4 . 8, 2 . 7 mm, 测点 d4下沉量明显 380 西安科技大学学报 2009年 第 4期柴 敬等 枣泉煤矿 T- 2火烧区下开采模拟实验 图 3 12104和 12206工作面开采过程上覆岩层下沉曲线 F ig . 3Subsidence curve of the overburden during them ining of 12104 and 12206 face 大于 f7的下沉量, 与测点 d4位于煤层顶板近的冒落 带和 f7位于裂隙带相一致。 3 . 1 . 3 地表位移特征 12104工作面开采后由百分表测试的模型地表 位移曲线如图 4所示。横坐标为工作面的开挖距 离, 纵坐标为下沉量。在工作面开挖的前 45 cm范围 内, 工作面的推进对地表没有影响。在工作面开挖 45 100 c m 过程中, 百分表 4 8测得的最大下沉量 分别为 0. 414 , 3. 677 , 6 . 95 , 5. 881 , 2. 481 mm, 其中位 于采空区中部的下沉量最大。 12104工作面开挖完 毕后, 百分表 1 3所在位置没有位移发生, 说明靠近 T- 2火烧区岩层没有移动, 12104工作面的开采不 受 T- 2火烧区的影响, 但百分表 5 8所在位置有位移发生, 说明上覆岩层垮落影响至地表。 图 412104工作面开采引起地表下沉曲线 Fig . 4 Surface subsidence curve induced by the m ining of12104 face 3 . 2 12206工作面开采 3 . 2 . 1 上覆岩层活动和裂隙发育 12206工作面在 12104工作面开采的基础上进行。 12206工作 面由开切眼开始推进, 推进到 15 cm 时有离层出现; 推进到 24 c m 时直接顶局部垮落; 推进到 51 cm时顶板大面积垮落并与 12104采 空区导通; 推进到 57 cm 时地表出现 1条裂隙 编号为 F1; 推进到 72 cm时地表出现裂隙 F2, F3; 推进到 100 cm 时裂隙 F4与 T - 2火 烧区导通。工作面开挖完毕后, 地表有 3条裂隙出现, 裂隙之间的 地表呈台阶状分布。裂隙 F1, F2在基岩与地表之间, 最大宽度 0 . 9 cm; 裂隙 F3由 12104和 12206采空区延伸至地表, 最大宽度为 1 . 6 cm, 与煤层成 82 角。裂隙 F4在 T- 2火烧区与基岩之间并导通 12206采空区, 最大宽度 0 . 8 cm。表土层 与基岩之间的裂隙延伸到 T - 2火烧区, 最大宽度 1 . 3 c m, 12206工作面开采后上覆岩层垮落情况如图 5 所示。 图 512206工作面开采后 上覆岩层垮落情况 F ig . 5 Overburden caving after the m ining of12206 face 3 . 2 . 2 岩层位移特征 12206工作面开挖中上覆岩层测点下沉曲线表明 图 3实线表示 , 开 挖前 54 cm 的过程中测点 b15, c13没有位移变化, 说明测点周围的岩层没有 位移发生; 推进到 54 cm时开始有位移变化, 开挖完毕后测点 b15, c13最大 下沉量分别为 0 . 4和 0. 6mm, 说明 12206工作面推进到 54 cm时开始受 T - 2火烧区的影响。测点 d4, f7始终有位移变化, 最大下沉量分别为 1 . 2 和 3. 8mm, 说明测点周围的岩层始终有位移发生。 3 . 2 . 3 地表位移特征 图 6为 12206工作面开采后的位移变化曲线。 12206工作面开挖前 39 cm过程中, 百分表 4 8测得的位移曲线斜率较小; 开挖 39 100 c m 过程中, 百分表位移曲线斜率增大。百分表 4 8测得的最大下沉量分别 为 7. 834 , 9. 256 , 8 . 352 , 7 . 726 , 6 . 039 mm。工作面开挖 27 39 c m 过程中表 6测量数据变大, 是因为在水 平应力作用下地表隆起。推进到 51 c m 时表 4 8测得的位移速度快速增加。这是因为 12206与 12104 采空区导通, 上覆岩层大面积垮落。根据百分表测量数据变化, 说明 12206工作面开挖前 39 c m 过程中对 地表影响较小, 开挖 39 100 c m 过程中对地表影响较大。 12206工作面开挖过程中百分表 1读数始终没有变化。百分表 2 , 3测得在推进到 57 cm 时开始有位 移发生, 开挖完毕后, 百分表 2 , 3测出的最大下沉量分别为 0 . 574, 6 . 875 mm。这说明 12206工作面的推 进到 57 cm 时开始受到 T- 2火烧区的影响, 随着工作面的推进, 影响越来越大。 381 图 612206工作面开采引起地表下沉曲线 F ig . 6Surface subsidence curve induced by them ining of 12206 face 3 . 3 基岩整体运移特征 根据实验过程中测点测量数据, 在工作面开采过程中, 位于倾斜下部区域的上覆岩层先移动, 上部区 域的岩层后移动。随工作面的推进和上覆岩层垮落对工作面采 空区不同程度的充填, 下部区域的上覆岩层运移速度变慢, 而由 于上部区域空间较大, 该区域的上覆岩层的运移速度加剧。工 作面倾斜上部基岩测点 a13, c10和倾斜中部基岩测点 a9, c7及工作 面倾斜下部基岩测点 a6, c4最大下沉量分别为 9 . 2 , 8 . 2 , 8 . 4 , 3 . 1 , 7 . 8 , 1. 6mm, 位移从下到上逐渐增大。基岩运移过程先后经 历 离层 2. Zhengzhou Coal Industuy Group Co. Ltd. , Zhengzhou 454000, China; 3. N ingxiaShenhua Coal Industuy Group Co . Ltd. , Lingwu 751409, China Abstract It isuniversal that the burning areas ofN ingdongm ining area are water filled . To prevent the hydrops in T- 2 burning area from affecting the safe production of Zaoquan CoalM ine ,the si mulation experi ment is used to study the overburden caving behavior andmove m ent of the rock strata around the burning area after them ining of 12104 and 12206 m ining face respectively. Experi m ental results show that them ining process of 12104m ining face has no influence on the hydrops of the burning area ,how ever , 12206m ining face has remarkable influence on the hydrops of the burning area .It is concluded that surveying water during drilling andm ining is essentia. l Key words burning area ;overburden caving;surface subsidence ;si mulation experi m ent 383 *Biography CHAI Jing, Professor , Xian 710054 , P. R. China, Te l 0086- 29- 85583057, E mai l chai jxust . edu. cn