复杂特厚富水煤层大采高开采岩层运动局部化特征 - 图文-.doc

第35卷第11期煤 炭 学 报 Vol.35 No.11 2010年 11月 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY Nov. 2010 文章编号0253-9993201011-1868-05 复杂特厚富水煤层大采高开采岩层运动局部化特征 杨忠民1,张建华1,2,来兴平1,吕兆海2 1.西安科技大学能源学院教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室,陕西西安 710054;2.神华宁夏煤业集团,宁夏银川 751401 摘 要以神华宁煤集团清水营煤矿富含水工作面安全开采为目标,采用地球物理勘查㊁理论解析㊁现场监测与开采实践等方法,揭示了复杂特厚煤层大倾角㊁大采高开采工作面覆岩载荷呈局部化非对称向顶板逐渐扩展的演化机制㊂工作面局部应力集中显著,超前支承压力影响范围变窄,周期来压步距为1015m ,采空区岩层发育呈现出明显变异性㊂ 关键词复杂条件;大倾角㊁大采高;岩层运移与演化规律;局部化跃迁中图分类号TD325 文献标志码A 收稿日期2010-03-10 责任编辑高雪梅 基金项目国家自然科学基金资助项目10772144;教育部博士点基金资助项目20096121110001;陕西省教育厅重点实验室基金资助项目 09JS018 作者简介杨忠民1962 ,男,陕西白水人,副编审㊂Tel029-********,E- Localized character of strata movement for complicated super⁃thick water⁃rich coal seam with large mining height YANG Zhong⁃min 1,ZHANG Jian⁃hua 1,2,LAI Xing⁃ping 1,LZhao⁃hai 2 1.School of Energy Engineering ,Key Lab of Western Mining and Disaster Prevention with Ministry of Education ,Xi ’an University of Science and Technology ,Xi ’an 710054,China ;2.Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co.,Ltd.,Yinchuan 751401,China Abstract Taking the safe mining of the water⁃rich working face at Qingshuiying Coal Mine as a goal,adopted s of the geophysical prospecting,theoretical analysis,in⁃situ monitor and mining practice to reveal the evolution mecha⁃nism of the complicated super⁃thick seam steeply inclined and large mining height working face overlying strata load’s localized and asymmetric gradual expansion to the roof.The local stress of the working face is obviously concentrated, forepoling pressure’s influence scale is narrowed,periodic weighting length is 1015m,and strata development at goaf is obvious variability.Key words complicated conditions;steeply inclined,large mining height;strata movement and evolution law;localized transition 我国厚煤层储量丰富,大倾角煤层机械化开采是矿井实现高产高效的惟一途径[1]㊂复杂特厚煤层大倾角㊁大采高 双大”条件下开采扰动区Mining disturbanced zone,MDZ岩移规律复杂,片帮冒顶等动力学失稳控制是难题[2-5]㊂宁东鸳鸯湖矿区地质赋存条件极其复杂,岩体裂隙发育,煤层厚,富含碱性水㊂系统掌握工作面岩移规律是保障安全开采的关键基础与前提条件之一㊂以清水营煤矿大倾角㊁大采高工作面岩层控制与安全开采为目标,通过地质力学调查与测试㊁理论分析㊁现场监测与开采实践等方法,深入分析了复杂特厚煤层大倾角㊁大采高开采工作面 岩层运动特征与动态演化规律㊂ 1 复杂地质与开采条件 高产高效矿井设计要以可靠的开采地质条件为 基础[6]㊂采用地震勘探方法调查了开采区域构造空间分布状况㊂井田内构造整体为近南北走向㊁西向东倾伏的单斜构造㊂煤层均厚5.25m,设计采高为 4.2m,倾角2035㊂顶板为泥质砂岩含水层,岩石松软易垮落;底板为泥质砂岩,易滑移㊂切眼部分锚杆被拔断㊂开采区域有F13断层,高度7.5m㊂正常涌水量510m 3/h,最大涌水量50m 3/h㊂顶底板岩 第11期杨忠民等复杂特厚富水煤层大采高开采岩层运动局部化特征 石膨胀系数为10,遇水后强度下降[7]㊂ 2 大倾角㊁大采高工作面围岩运动力学特征 2.1 复杂煤岩介质力学行为描述 基于声发射Acoustic Emission的煤样力学损伤与变形参数小事件㊁大事件㊁总事件㊁能率表征实验表明,在高应变率非对称载荷作用下,复杂煤岩样变形集中于局部剪切变形区域,其损伤与变形及演化程度迥异[8-10]㊂公式1简单刻划了煤样应变局部化带的力学行为㊂ d U σεA d U σεAw d ε 1 式中,d U 为煤样应变局部化带应变能增量;σε为煤样单轴压缩或剪切本构关系;A 为局部化带的有效面积;w 为局部化带宽度㊂ 2.2 大倾角㊁大采高工作面围岩运动力学特征 已有研究[11-12]表明在一般采高条件下,工作面垮落的岩石形成的堆积体可充满采空区,从而对上部基本顶岩层产生支撑作用,大大减缓了基本顶运动和破坏过程中对工作面的矿压作用㊂ 在大倾角㊁大采高工作面,煤层顶板不是沿着法向移动,而是沿一条接近重力作用方向曲线移动㊂顶板移动切向分量对支架产生侧向力,可能导致支架倾倒㊂如图1所示,支架在顶板压力p 合力为P ,支架自重W ,上下邻架挤靠力P s ㊁P x ,初撑力q 合力为Q ,底板反力R 作用下处于平衡状态 ㊂图1 支架与围岩作用关系 Fig.1 Interaction of support and rock 当顶板压力不断增大,支架所受合力作用点可能要偏出支架下边缘,导致支架倾覆㊂在力矩极限平衡条件时,底板反力作用点在O 点处,此时有以下力学关系,即 Wb P s -P x h P h sin α-B 2 cos α 2b B 2 cos α-c sin α 3 式中,b 为支架自重作用方向与支架底座下边缘的水平距离;h 为支架高度;α为煤层倾角;B 为支架底座 宽度;c 为重心高度㊂ 基于大型物理相似模型与基于倾角变化的数值计算研究[13-15]表明大采高一次采全高垮落的直接顶岩石堆积体不能充满采空区,基本顶上方岩层处于大面积悬空状态,岩层破断后的铰接平衡机制急剧弱化,岩层破断后产生回转运动图2㊂在大倾角㊁大采高条件下,基本顶破断后大面积下沉,工作面支承压力影响范围变窄,压力峰值向工作面内移;支架局部载荷异常升高,易导致围岩灾变㊂随开采推进,覆岩载荷呈非对称向顶板逐渐扩展,垂直应力诱导工作面顶板覆岩出现剪切与回转运动㊂在推进过程中,累计出现了8个应力波峰,随工作面推进不断向前传递,周期来压距离为1015 m㊂ 图2 工作面岩层应力分布 Fig.2 The distribution of strata stress at working face 根据对覆岩破坏规律研究成果,在厚煤层大采高 一次采全高开采条件下,上覆岩层断裂后产生台阶错动[16]㊂在特厚煤层大倾角㊁大采高条件下,覆岩垮落带和断裂带高度增大,岩层活动程度增强,易造成断裂带岩层异化为垮落带,加之煤层富含水,采空区 三带”沿倾向呈现出显著变异性图3,易引发突水事故㊂开采过程中应采用分区域岩层控制方法与超前疏水对策,减少灾变发生几率 ㊂ 图3 采空区变异机制 Fig.3 The variability mechanism of the goaf 3 采动影响下工作面岩层运动规律监测 3.1 开切眼应力分布与演化特征 开采初期监测表明270290m 范围内的应力变化显著,最大变化量达到8MPa,上升趋势明显,主 9 681 煤 炭 学 报 2010年第35卷 要集中于下端头1030m 范围内,如图4所示㊂在290m 的分布区域内,应力总体呈现由下端头向上端头逐渐减小的趋势;应力变化呈现4个明显的局部化波动趋势,沿工作面倾向范围分别为1090m㊁90160m㊁160210m 和210270m,区域长度在50 80m 之间,4个波动范围内应力变化呈非均匀演化趋势,最大应力变化在应力波动区2内,最大应力差值为10MPa,最小应力分布在应力波动区4内,为6MPa㊂工作面中部90210m应力整体较大,平 均应力值为15MPa,上㊁下端头应力较为集中㊂由于切眼断面大,对围岩破坏程度相对严重,因此在监测过程中,跃迁式应力分布现象也进一步揭示了复杂围岩的动力学断裂㊁垮落与逐步压实的动态演化过程 ㊂图4 沿倾向最大应力分布规律 Fig.4 Distribution of maximal stress along inclination 图5 顶板下沉观测统计曲线 Fig.5 The statistics curves of roof subsidence 3.2 开切眼变形演化特征 随开采推进,顶板下沉首先呈线性上升并逐渐趋于平衡㊂如图5所示,距切眼下端头顶板下沉量较小;当测点向上端头逼近时,顶板下沉量也相对加大, 230m 处顶板下沉量大值为375mm,此时在现场工 程实践中已基本发生离层,如不进行及时有效支护,势必发生冒顶㊂从工作面切眼倾向看,顶板下沉从下端头到上端头呈弧形上升趋势,切眼倾向中㊁上部变形明显㊂ 3.3 推进过程中工作面载荷分布特征 工作面下口推进5m 时,机巷测点压力最大值达到7.5MPa㊂如图6a所示,上口累计推进4m,压力值不断上升㊂切眼施工高度为3.2m㊂由于工作面安装时间长,顶板最大下沉量达到200mm;如图6b所示,工作面压力在5383号支架区间压力较大,在113号支架附件降至最低点,继而上升㊂如图7a所示,工作面下部压力明显大于中上部,整体呈现下降趋势㊂如图7b所示,2008-12-20,工作面中下部承受压力在2628MPa 之间,73号支架以上工作面压力有下降趋势,平均在17MPa㊂5257号支架架前出现切顶现象,高度在1m 左右㊂146150号支架前端岩体垮落,长度8m,最大垮落高度为5.5m㊂12月30日,工作面下部承受的压力较大,为40MPa,平均24MPa;上部最小,平均16MPa,中部趋于平缓,平均20 MPa㊂ 图6 风巷和机巷压力分布和工作面压力变化规律 Fig.6 Distribution of ground pressure at ventilated and carrying roadway,and regularity of ground pressure at working face 4 现场开采实践 2008年10月,在110202大采高综采工作面投 入试生产㊂由于底板较软,加之顶板长期淋水,软岩遇水后膨胀变形,支架钻底严重与刮板输送机侧翻; 781 第11期杨忠民等 复杂特厚富水煤层大采高开采岩层运动局部化特征 图7 矿压监测结果统计曲线 Fig.7 Statistics curves of ground pressure monitoring 5257号支架出现架前切顶现,高度1.0m 左右㊂146150号支架前端岩体垮落,长度8.0m,垮落最大高度5.5m,宽3.0m,加强了顶板管理,如图8所示㊂现场还采用松动圈检测仪和光学钻孔窥视仪对工作面顶板覆岩与含水层导通情况进行探测,在开采过程中采取分区域岩层控制方法和多种有效技术对策,同时,采取分区域疏水工程,保障了安全开采[7]㊂ 5 结 论 1复杂条件下的围岩变形特征及演化规律独 特㊂在大倾角㊁大采高条件下,由于基本顶破断后大面积下沉,工作面超前支承压力影响范围变窄㊁压力峰值向工作面内移,易导致灾变㊂ 2现场监测表明,应力总体呈现明显的局部化波动演化趋势,采空区岩层发育呈现出明显变异性,这为岩层控制提供了依据㊂ 3开采证明,在复杂条件下大倾角煤层开采过 程中,采取的分区域岩层控制方法和多种技术对策是科学合理的,最终实现了安全开采 ㊂ 图8 现场破坏情况与相关措施 Fig.8 Field damaged conditions and relating measurements 参考文献 [1] 伍永平,员东风,张淼丰.大倾角煤层综采基本问题研究[J].煤 炭学报,2000,255465-468. 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