大倾角煤层长壁开采覆岩空间活动规律研究.pdf

书书书 第 40 卷第 9 期 煤 炭 科 学 技 术 Vol. 40No. 9 2012 年9 月 Coal Science and TechnologySept．2012 采矿与井巷工程 大倾角煤层长壁开采覆岩空间活动规律研究 解盘石1， 2，伍永平1， 2，王红伟1， 2，任世广1， 2 1. 西安科技大学 能源学院，陕西 西安710054;2. 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054 摘要针对大倾角煤层长壁开采覆岩变形、破坏和运移规律复杂，对工作面安全开采影响大等问 题，采用现场实测、数值模拟和相似材料模拟，研究总结了大倾角煤层长壁开采直接顶、基本顶和 高位岩层空间的变形、破坏和运移规律。结果表明大倾角煤层走向长壁机械化开采过程中，沿倾 斜方向采场顶板低位岩层与高位岩层均呈现出非对称力学特征，且破坏运移呈现出时序性和不均衡 性。沿工作面倾斜方向中、上部区域内 “三带”特征明显，且层位较高，而下部则顶板岩层没有 明显的 “三带”特征或 “三带”形成的层位较低且不完整;多区段、多煤层开采时，上覆岩层影 响程度远大于单一煤层，且具有一定冲击性。 关键词大倾角煤层;长壁开采;覆岩空间活动规律;时序性;不均衡性 中图分类号TD323文献标志码A 文章编号0253 －2336 201209 －0001 －05 Study on Space Activity Law of Overburden Strata Above Longwall Coal Mining Face in High Inclined Seam XIE Pan- shi1， 2，WU Yong- ping1， 2，WANG Hong- wei1， 2，REN Shi- guang1， 2 1． School of Energy，Xian University of Science and Technology，Xian710054，China; 2． MOE Key Lab of Mining and Disaster Prevention and Control in West China Mine，Xian710054，China AbstractAccording to the deation，failure and complicated migration law of the overburden strata above the longwall mining face in a high inclined seam affected to the safety mining of the coal mining face，the sitemeasurement，numerical simulation and similar material simulation were applied to study and summarize the deation，failure and migration law of the immediate roof，main roof and high level strata space above the longwall coal mining face in the high inclined seam． The results showed that during the mechanized strike longwall coal process in the high inclined seam，asymmetric mechanics features occurred between the low level rock and high level rock of the roof above the coal mining face along the inclined direction and the failure migration would be a time sequence and unbalance． Along the in- clined direction of the coal mining face，the three zones features in the top area were obvious and the level was high． And in the low area and the roof strata，there were no obvious three zones features or the level to three zones was low and not completed． During the multi section and multi seam mining，the influence degree of the up strata would be higher than single seam and would have certain mine pres- sure bumping． Key wordshigh inclined seam;longwall coal mining;overburden strata space activity law;time sequence;unbalance 收稿日期2012 －04 －11;责任编辑曾康生 基金项目国家自然科学基金资助项目 51074120 ;国家自然科学青年科学基金资助项目 51204132 ;教育部重点科学技术研究资助项目 地方 03166 ;西安科技大学培育基金资助项目 2010049 作者简介解盘石 1981 ，男，陕西三原人，工程师，博士。Tel13571821898，E － mailtay584 qq. com 网络出版时间2012 －09 －17 103318;网络出版地址http/ /www. cnki. net/kcms/detail/11. 2402. TD. 20120917. 1033. 201209. 1_001. html 引用格式解盘石，伍永平，王红伟，等． 大倾角煤层长壁开采覆岩空间活动规律研究 ［ J］ ． 煤炭科学技术，2012，40 9 1 －5． 大倾角煤层是指倾角为 35 ～55的煤层，开采 难度大，不同层位顶板变形、破坏和运移规律复 杂 ，“支架 － 围岩”系统作用原理与一般倾角煤层 差异大。基于四川、甘肃、新疆等地近 10 余个大 倾角煤层走向长壁机械化工作面观测、数次三维数 值模拟分析和近 15 个平面、立体相似材料模拟试 验 ［1 －17 ］，对大倾角煤层长壁开采覆岩空间的变形、 破坏和运移规律进行了分析总结，对于促进该类煤 1 2012 年第 9 期煤 炭 科 学 技 术 第 40 卷 层开采理论研究具有重要意义。 1直接顶变形、破坏和运移规律 1力学特征的不对称性。大倾角煤层开采 时，工作面直接顶板沿工作面上部岩层应力释放较 下部明显，其影响明显的范围沿着倾斜方向向下呈 逐渐减少，至工作面下部消失，即直接顶层位应力 沿工作面倾斜方向呈非对称分布;直接顶变形较大 区域处于工作面倾斜方向的中上部，工作面下部区 域变形较小，如图 1 所示。采场沿倾斜方向不同区 域的支承压力差异性大，支承压力峰值在工作面倾 斜方向的上部最小，中部较大，下部最大;下煤层 开采时，顶板应力因上煤层开采有明显降低，工作 面中部和下部应力煤壁支承压力值较低，上部应力 值较大，与单层煤层开采有所不同 图 2 。 图 1采场空间力学特征 γ上覆岩层容重;H工作面埋深 图 2采场空间支承压力分布 2破坏和下滑特征。直接顶首先从工作面中 上部区域破坏，破坏方式主要包括离层弯曲 破断垮落等形式，由于受倾角影响，沿工作面倾斜 方向不同位置的直接顶岩层的运移不同。通常工作 面上部区域的直接顶岩层能够全部垮落，且垮落岩 块沿工作面倾斜方向下滑，导致工作面下部累积充 填，使工作面上部垮落的空间逐渐增加，向工作面 上部转移并延伸至上区段采空区;工作面中部位置 的直接顶岩层则从下分层到上分层以不同的形式垮 落，更上一层的岩层则以较大块度、较整齐排列的 形式垮落，而更上部的岩层则有可能在走向及倾斜 方向上均形成砌体结构;处于工作面下部区域内的 直接顶岩层由于受到上部破坏岩块的下滑充填，其 运移空间较小，通常只有最下分层及其附近的岩层 才会出现断裂与垮落，其上各分层一般以各自岩性 允许的块度裂断并整齐排列，较上分层的岩层则易 形成结构 图 3 。 图 3直接顶破坏运移 3支架与直接顶相互作用。直接顶垮落后岩 块下滑充填工作面下部的采空区，在该范围内支架 受直接顶垮落岩块的作用较大，特别是在靠近运输 巷处的直接顶岩层直接作用于支架尾梁，影响支架 稳定性，但由于垮落岩块充填作用，顶板岩层运动 空间小，支架受到未垮落直接顶岩层的作用也较 小。支架支护范围内的顶板应力较采空区范围内顶 板应力降幅较小，在工作面中下部区域顶板应力大 于工作面中上部区域，上部区域应力最小，在支架 支护范围内的顶板应力呈现非均匀分布现象，即高 低应力相互间隔出现，说明在大倾角工作面支架受 力具有不均衡特征。支架载荷具有分区特点，即工 作面中部、中上部及下部区域支架载荷较大，上部 区域支架载荷变化大，部分支架载荷接近于零，即 空载现象。大倾角煤层工作面支架具向有明显倾倒 趋势，同时中上部区域支架底座有向工作面上部运 动的趋势，随着采高的增加，支架倾倒的可能性也 随之增加，如图 4 所示。 2基本顶变形、破坏和运移规律 1基本顶破坏运移的时序性和不均衡性。基 本顶的破坏方式主要包括离层回转断裂反 向回转垮落等形式，工作面顶板岩层垮落的主要 形态是沿工作面倾斜方向的 “时序”不一致的， 2 解盘石等大倾角煤层长壁开采覆岩空间活动规律研究2012 年第 9 期 图 4支架与围岩相互作用特征 即在工作面倾斜方向上顶板岩层的垮落时间和顺序 与缓倾斜煤层相比差异性大。 一般情况下，在工作面推进过程中，顶板在工 作面的中部或中上部首先出现裂缝，该裂缝既有沿 工作面倾斜方向的，也有沿工作面推进方向的，与 此同时，在工作面回风巷附近也出现沿工作面走向 的裂缝，同时还有大量的裂缝出现在回风巷上帮的 煤层或岩层内，随着工作面的推进，出现在工作面 中部的裂缝向工作面上下延伸，回风巷附近的裂缝 向工作面前 后延伸，当工作面推进长度或顶 板沿工作面倾斜方向的悬露长超过顶板岩层极限跨 距时，顶板出现断裂，继而出现垮落。由于裂缝的 发展随工作面的推进有一个时间过程，故顶板的裂 断和垮落在工作面倾斜方向上的时序不同。工作面 中部将开始裂断和垮落，接着是工作面的上部，然 后是工作面下部。 此外，由于工作面中部顶板垮落对下部形成的 空间进行充填，对上部已成空间的 “负约束效应” 导致工作面下部顶板活动空间减小而上部顶板活动 空间扩大，从而引发了工作面中上部顶板垮落充 分，延伸区域大，会发现工作面中下部顶板垮落受 限制 工作面靠近运输巷的部分顶板基本不出现 垮落的非均衡现象，如图 5 所示。 2大倾角煤层走向长壁工作面上覆岩层沿倾 斜方向在不同位置所受到的约束不同，因此在上覆 岩层顶板垂直方向上，不同位置的上覆岩层运动状 态也不同。一般表现为工作面下部区域弱于上部， 中上部区域的岩层运动较下部剧烈。因受倾角影 响，对大倾角煤层直接顶上覆岩层中的基本顶运动 规律进行研究，主要是研究工作面中上部直接顶以 上的岩层。研究表明，该部分岩层的挠曲变形以工 作面中部偏上最大，而下部则明显小于上部。随着 工作面推进，该岩层在最大挠曲处形成主要裂隙并 发展为拉断破坏。无论工作面直线或伪斜布置，拉 1开切眼; 2回风巷; 3运输巷;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ破断顺序及方向 图 5顶板岩层变形与裂断时序与不均衡特征 断裂隙都不会沿工作面全长发展，与此同时，也伴 生一些伪斜方向的裂隙，采场周边也出现拉裂隙， 且向煤壁前方发展，当岩层达到极限跨距时，裂隙 贯通后出现裂断与冒落。 3基本顶空间扭转破坏。由于沿工作面倾斜 方向岩层垮落破坏的不对称性，工作面中上部顶板 先垮落，所以工作面基本顶岩层垮落破坏呈现出空 间 三维上的扭转破坏特征，即上覆岩层垮落 后整体性较好，工作面上部采空区范围内顶板垮落 压实充分，而工作面下部由于顶板下滑充填，该范 围内顶板整体表现出垮落不充分特征 图 6a 。 4支架与基本顶的相互作用。采空区内基本 顶垮落后的下滑特征受直接顶的厚度、基本顶的强 度和采高等因素影响，但总的来说，基本顶的下滑 程度远弱于直接顶，基本顶垮落后，在走向上，前 方岩层与未垮顶板铰接形成结构并与支架发生相互 作用，后方岩层则以底板或采空区矸石为支撑;沿 3 2012 年第 9 期煤 炭 科 学 技 术 第 40 卷 A直接顶破坏;B工作面顶板空洞;C工作面侧 图 6工作面上覆岩破坏形态 工作面倾斜方向上则具有其特有的特征，基本顶以 “倾斜砌体”形式保持稳定，破断岩块之间相互铰 接挤压来传递作用力;基本顶对支架的作用形式有 所不同，在工作面下部，支架是以直接顶为传力媒 介对支架进行作用的，而在工作面中上部则直接与 支架接触进行施载，在该范围内，由于岩块运移空 间大，基本顶的破断对支架具有一定冲击作用，如 图 6b 所示。 3高位岩层空间变形、破坏和运移规律 3. 1上覆岩层力学特征 从图 1 中看出在高位覆岩层中，其位移较大 区域向回风巷顶板处延伸，整体位移轮廓呈拱状， 拱顶位于工作面中部偏上区域，表明当覆岩层受下 方岩层破断影响发生变形破坏时，将从工作面中上 部先破坏，且延伸层位较高，下部后破坏区域延伸 层位较低。顶板应力分布呈近似直角三角形轮廓， 低应力范围处于工作面中上部并向上覆岩层延伸， 与低位岩层应力分布一样，具有非对称特征。 3. 2上覆岩垮落运移特征 大倾角走向长壁工作面回采中，当工作面低位 顶板出现初次垮落后 通常是工作面直接顶 ，处 于工作面中上部区域内的顶板破断和冒落后的矸石 不会在原地停留，所以不能对该范围内围岩提供约 束，且为上覆岩层的进一步运动留下了足够的空 间，使上覆岩层 顶板内可垮落的岩层 冒落 带和裂隙带下位岩层能够充分垮落，故一般情 况下该范围内覆岩的 “三带”特征明显，且层位 较高;处于工作面下部区域内的顶板岩层由于运动 空间受工作面中上部冒落岩块等的充填限制 约 束 ，得不到充分的垮落运移，因此 “三带”特征 不明显或 “三带”形成的层位较低且不完整，如 图 7 所示。 大倾角煤层采场上覆岩层结构与一般倾角煤层 h1裂隙高度 10 cm;h2垮落高度 18 cm;h3离层高度 33 cm 图 7上覆岩倾向破特征 相似，都存在 “三带” ，即垮落带、离层裂隙带和 弯曲下沉带;在上覆岩层未垮时，则存在近似拱形 的支撑结构，拱脚分别为工作面前方煤壁和后方开 切眼处煤壁，随着工作面不断推进，前方煤壁拱脚 不断随工作面推进而前移，拱形结构的拱高也随之 不断增加，当达到充分采动时，拱形结构发生破 坏，工作面上覆岩层则在较低位的岩层中形成新的 拱形结构，其后方拱脚则处于垮落矸石的充填压实 区内，该结构则是以垮落岩层与未垮岩层间的铰接 作用来保持稳定的，如图 8 所示。 图 8走向覆岩垮落态特征 大倾角煤层群开采时，由于受到采动影响次数 和程度不尽相同，导致采空区垮落岩体在工作面倾 斜方向上的破碎程度不同，一般为上部较为破碎， 中部和下部较为完整。在多区段开采时，表现为上 区段较为破碎，下区段次之。此外，在垂直方向 上，处于上煤层层位的垮落岩层较为破碎，下煤层 层位的岩层次之，处于上煤层之上的较高位岩层完 整性或垮落规则性较好;同时，多煤层多区段开采 导致破断岩层下滑堆积后，工作面上部与采场高位 区域易形成空洞，为有害气体等提供储存空间，留 下安全隐患，如图 9 所示。 4结论 1大倾角煤层走向长壁机械化开采过程中， 沿工作面倾斜方向采场顶板低位岩层与高位岩层均 呈现出非对称力学特征。低位岩层与高位岩层 直接顶、基本顶及高位岩层沿倾斜方向破坏运 4 解盘石等大倾角煤层长壁开采覆岩空间活动规律研究2012 年第 9 期 1较高位岩层完整性或裂隙带岩层分布规则性较好;2区段 煤柱破坏导致上方岩层大范围失稳;3上区段比下区段破碎 程度较大;4工作面上部和采空区上方瓦斯积聚;5煤层 群开采垂直工作面倾斜方向的破碎程度不同 图 9上覆岩垮落破碎特征 移呈现出先中部、次上部、再下部的基本特征，具 有时序性和不均衡性，导致不同区域的支架受载和 失稳可能性不同，即工作面上部区域支架载荷多变 且易发生失稳。 2沿工作面倾斜方向中、上部区域内 “三 带”特征明显，且层位较高;工作面下部区域内 的顶板岩层没有明显的 “三带”特征或 “三带” 形成的层位较低且不完整;工作面上覆岩层结构与 一般倾角煤层相似，都存在 “三带” ，即垮落带、 离层裂隙带和弯曲下沉带。 3多区段、多煤层开采时，上覆岩层影响程 度远大于单一煤层，由于受到采动影响次数和程度 不尽相同，导致采空区垮落岩体 石在工作面 倾斜方向上的破碎程度不同，一般为上部较为破 碎，中部和下部次之。 参考文献 ［ 1］华蓥山矿务局，西安矿业学院．绿水洞煤矿大倾角煤层综 采技术研究 ［ R］ ． 华蓥华蓥山矿务局，1996． ［ 2］靖远煤业集团公司王家山煤矿，西安科技学院．王家山煤 矿大倾角特厚煤层综采放顶煤技术研究 ［R］．白银靖远 煤业集团公司王家山煤矿，2003． ［ 3］华亭煤业集团公司东峡煤矿，西安科技大学．东峡煤矿大 倾角特厚易燃煤层群综采放顶煤技术研究 ［R］．华亭华 亭煤业集团公司东峡煤矿，2006． ［ 4］新疆焦煤集团有限责任公司，西安科技大学．新疆焦煤集 团 2130 平硐大倾角硬顶软底软煤走向长壁综放开采技术研 究 ［ R］． 乌鲁木齐新疆焦煤集团有限责任公司，2009． ［ 5］新疆焦煤集团有限责任公司，西安科技大学．新疆焦煤集 团 2130 平硐大倾角大采高开采技术可行性论证 ［ R］ ． 乌鲁 木齐新疆焦煤集团有限责任公司，2010． ［ 6］贵州六枝工矿集团有限责任公司，西安科技大学．贵州竹 林煤矿高瓦斯突出极软大倾角煤层综合机械化开采可行性 论证 ［ R］ ．六盘水贵州六枝工矿集团有限责任公司， 2010． ［ 7］解盘石．大倾角煤层长壁覆岩结构特征及其稳定性研究 ［D］ ． 西安西安科技大学，2011． ［ 8］黄国春，陈建杰． 坚硬顶板、软煤、软底大倾角煤层综采 实践 ［ J］ ． 煤炭科学技术，2005，33 8 33 －35． ［ 9］伍永平，解盘石，任世广．大倾角煤层群开采岩移规律数 值模拟及复杂性分析 ［J］ ．采矿与安全工程学报，2007， 24 4 391 －395． ［ 10］孟宪锐，问荣锋，刘节影，等． 千米深井大倾角煤层综放 采场矿压显现实测研究 ［J］ ．煤炭科学技术，2007，35 11 14 －17． ［ 11］章黎明． 王家山煤矿大倾角厚煤层综放采场矿压规律研究 ［ J］ ． 煤炭科学技术，2007，35 12 22 －26． ［ 12］WU Yong － ping，XIE Pan － shi，REN Shi － guang，et al． Three － dimensional Strata Movement Around Coal Face of Steeply Dipping Seam Group ［J］．Journal of Coal Science ＆ Engineering， 2008， 14 3 352 －355． ［ 13］程文东，李俊民，谢俊文． 大倾角煤层综放开采放煤工艺 优化试验 ［J］ ． 煤炭科学技术，2009，37 7 18 －20． ［ 14］伍永平，解盘石，任世广． 大倾角煤层开采围岩空间非对 称结构特征分析 ［ J］ ．煤炭学报，2010，35 2 182 － 184． ［ 15］伍永平，解盘石，王红伟，等． 大倾角煤层开采覆岩空间 倾斜砌体结构 ［J］ ．煤炭学报，2010，35 8 1252 － 1256． ［ 16］李方立，李松强，吕文胜． 2130 煤矿大倾角综采工作面支架 防倒技术 ［ J］ ． 煤炭科学技术，2010，38 7 14 －16． ［ 17］王红伟． 大倾角煤层开采覆岩结构特征分析 ［D］．西安 西安科技大学， 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 2010． 力控科技发布全新工业监控组态软件 ForceControl V7. 0 2012 年 9 月北京三维力控科技有限公司推出的全新工 业监控组态软件 ForceControl V7. 0 正式面向市场发布。该 产品是力控科技根据当前制造业和信息技术的融合发展日 益深化的趋势，总结多年来的行业工程实践经验，以及对 行业用户需求进行深度分析的基础上设计开发的自动化软 件产品。该产品可以广泛应用于煤炭、油气、化工、电力、 环保、能源管理、智能建筑等行业。与以往的 ForceControl 产品相比，该产品在图形处理、组件交互、通信机制等方 面有突破性提升，全面支持微软 32/64 位 Windows 7 及 Windows Server 2008 操作系统，通过提供可靠、灵活、高 性能的监控系统平台，极大地提升了客户的投资回报率。 力控科技作为从事自主知识产权的企业信息化和自动化监 控平台研发服务的高新技术企业，一直致力于民族装备制 造业的振兴与发展，此次新产品的发布展现了力控科技在 工业控制自动化领域中不断发展创新的理念。 力控科技 供稿 5