坚硬顶板下极近距离煤层联合开采安全错距确定研究.pdf

文章编号 1009-6094 2013 05 -0187 -04 坚硬顶板下极近距离煤层联合 开采安全错距确定研究 ＊ 查文华1 ,2, 宋新龙1,2, 计 平3 1 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室, 安徽淮南 232001; 2 安徽理工大学能源与安全学院, 安徽淮南 232001; 3 华瀛天星集广煤业有限公司, 山西灵石 031300 摘 要 为获得坚硬顶板下极近距离煤层联合开采的合理错距, 以山 西灵石某矿 0908 高档普采和1008 综采两个联合开采工作面为工程背 景, 建立了不同错距下覆岩破坏特征模型, 分析了顶板运动规律, 实测 了错距分别为 20 m、26 m和 35m 时两工作面的压力显现特征。结果 表明, 合理错距与顶板周期来压步距有直接关系, 坚硬顶板下极近距 离煤层联合开采合理错距为顶板周期来压步距的1. 6～ 2. 0 倍。 关键词 采矿工程; 坚硬顶板; 极近距离煤层; 联合开采; 错距 中图分类号 TD823. 81 文献标识码 A DOI 10 . 3969/j. issn. 1009 -6094 . 2013. 05. 039 ＊收稿日期 2013 -06 -30 作者简介 查文华, 副教授, 博士, 从事煤矿安全高效开采研究, whzha 126. com。 基金项目 国家自然科学基金项目 51004002 ; 高等学校博士点新 教师基金项目 20103415120001 ; 安徽省高校省级自然 科学研究项目 KJ2012A088 0 引 言 目前, 针对近距离 煤层间距大于下煤层工作面采高 煤 层群的联合开采, 上下工作面有两种布置方式[ 1]一是将下 煤层工作面布置在上煤层工作面后方、采空区的减压区 , 这是 相对危险的布置形式; 二是将下煤层工作面布置在上煤层工 作面后方、采空区的压实区, 这是相对安全的布置形式。 马全 礼等[ 2]结合山东新驿煤矿二采区的具体条件, 分别计算了下 工作面位于上工作面后方压力恢复区时工作面的最小错距和 下工作面位于上煤层工作面减压区时的错距范围, 并分析了 影响工作面错距的主要因素。 王月星[ 3]结合阳邑煤矿极近距 离煤层同采的具体条件, 分析了阳邑煤矿极近距离煤层不同 错距下同采的可行性及矿压显现规律, 结果表明, 合理错距为 20～ 25 m。 康健等[ 4]以龙煤集团鸡西矿业分公司正阳煤矿 27-1 和 27-2两层煤为研究对象, 分析了极近距离薄煤层同 采工作面覆岩移动规律, 得出了合理的同采工作面错距公式。 而针对坚硬顶板下极近距离 煤层间距小于下煤层工作面采 高 煤层联合开采工作面合理错距布置的研究和工程实践尚 未开展。 本文通过对山西灵石某煤矿 9和 10煤层坚硬顶板下 极近距离煤层联合开采进行研究, 建立采空区覆岩破坏模型, 结合错距理论分析和现场矿压观测, 综合确定该情况下的合理 错距, 以实现坚硬顶板下极近距离煤层联合安全高效的回采。 1 地质条件 山西灵石某煤矿9和10煤层有0908 高档普采和 1008 综采两个工作面, 两工作面同时开采, 平均间距为2. 3 m, 工作 面相对位置关系见图 1。 0908 面开采 9煤层, 走向长度 1 465 m, 倾向长度 140 m, 煤层厚度 0. 8～ 1. 15 m, 平均厚 1. 0 m; 顶板为坚硬的 K2 石灰岩, 厚 2. 24～ 11. 50 m, 平均厚 7. 25 m, 与煤层接触面凸凹不平, 单轴抗压强度在 100MPa 以上, 一 般不易冒落; 底板为砂质泥岩, 厚 2 . 1～ 2 . 5 m, 平均厚 2. 3 m。 1008 面开采 10煤层, 走向长度 1 480 m, 倾向长度 117 m, 煤 层厚度 3. 5 m, 含 2～ 3 层夹矸。 初采期间, 根据其他矿的经验将错距控制在 20 m 左右, 但是两个工作面的压力始终很大, 1008 面支架压力超过 40 MPa, 煤壁时常出现大面积片帮, 0908 面单体支柱压力保持在 35MPa 左右, 给两工作面的回采带来困难和危险, 因此, 该矿 必须解决联合开采合理错距的问题, 以实现两工作面的联合 安全回采, 并确保后期两煤层的安全联合开采。 2 坚硬顶板下联合开采覆岩运动模型 对于近距离煤层联合开采, 为了避免上煤层顶板的周期 垮落与下煤层工作面回采时的超前压力相互影响, 从安全角 度考虑, 将错距定为 1. 3～ 1. 5 倍的周期垮落步距[ 1]。 朱涛 等[ 5]针对极近距离煤层开采时下层煤的顶板岩层结构特点, 构建了“ 散体-块体”顶板结构模型。 基于此, 本文针对坚硬 顶板下极近距离煤层群联合开采, 以错距为 1. 5 倍周期垮落 步距为界, 建立不同错距下坚硬顶板覆岩结构特征模型, 见图 2和 3。 其中 Lw为上煤层开采周期垮落步距, 现场实测得 Lw 为 16 m。 煤层开采后, 坚硬顶板将悬露、下沉, 当其悬露到一定极 限跨度后, 岩体内应力超过其抗拉强度时, 将发生断裂失稳, 形成初次断裂。 随着推采的进行, 顶板岩层形成“ 砌体梁”结 构[ 6-8], 发生周期性断裂。 从图 2 和 3 分析可得, 在不同错距 X 下, 采空区顶板下沉、断裂和垮落状况不同, 给上下两个工 作面带来的矿压显现也截然不同。 3 错距理论计算 由图 2 和 3可得, 错距 X 和顶板倾斜下沉角α的计算公 式为 图 1 上下工作面相对位置关系 Fig. 1 Relative position of upper and lower working face 187 第 13卷第 5 期 2013年 10 月 安全与 环境学报 Journal of Safety and Environment Vol. 13 No. 5 Oct. , 2013 X B L Hctgδ 1 tanα≈ M上 B L 2 联立式 1 和 2 可得 α≈ arctan M上 X -Hctgδ 3 式中 H 为煤层的层间距, 取 2. 3 m; B 为上部煤层工作面最 大控顶距, 现场 0908 工作面为 4. 6 m; δ为岩石移动角, 坚硬 岩层取 60 ～ 70 ; L 为考虑上煤层工作面顶板岩层冒落基本 稳定及上下煤层工作面推进速度不均衡的安全距离; α为顶 板倾斜下沉角; M上为上煤层采高, 该矿即为 0908 工作面采 高, 为 1. 0 m。 因为 H 、B、δ 、M上始终不变, 由式 3 可得, 当错距 X 不 同时, 因为 L 值不同 , α值也不同。 4 现场实测与分析 4. 1 错距 X1. 5Lw时矿压显现分析 初期将 0908 工作面切眼布置超前于 1008 工作面切眼 18. 4m, 后续两工作面推进 100 m 范围内错距保持在 20 m 左 右。两工作面联合开采, 回采期间 1008 工作面压力很大, 综 采支架压力达到 40MPa 以上, 整个工作面煤壁出现了大面积 片帮; 0908 工作面单体支柱压力保持在 35 MPa 左右, 并出现 了不同程度的压爆压裂现象, 尤其是在工作面停采期间 , 这种 现象尤为显著, 给回采带来巨大的安全隐患。 图 4 和 5 分别 为错距 20 m时 1008面综采支架和 0908面采空区单体支柱压 力曲线。 当错距 X ≈20m 时, L≈14. 3 m, 由图 2 分析可得, 两工作 面压力较大与 0908工作面坚硬顶板 K2 石灰岩有直接关系。 0908面采高仅 1 m, 随着工作面的推进, 采空区的 K2 石灰岩 不会断裂且保持缓慢下沉直到触矸接地,由于接地段距离 L 图 2 错距 X 1. 5Lw时覆岩破坏特征 Fig. 2 Overlying strata broken characteristics with stagger distance X1. 5Lw 图 3 错距 X ≥ 1. 5Lw时覆岩破坏特征 Fig. 3 Overlying strata broken characteristics with stagger distance X≥1. 5Lw ≈14. 3 m, 顶板倾斜下沉角 α较大, 导致很大部分压力作用在 0908 面单体支柱上, 单体支柱下沉量大、压力大, 即图 2 中的 A 点; 另外, 随着 1008 工作面的同采推进, 由于煤层间距很 小, 垮落的矸石不足以填满 1008面后方的 3. 5m 采空区空间, 接地的 K2石灰岩在 1008 面采空区会继续下沉直至出现断 裂, 由于顶板下沉倾斜角较大, 此时接地段压力集中作用在 1008 面煤壁上方和综采支架上, 即图 2 中的 C 点, 导致煤壁 片帮严重, 支架压力持续很大。 4. 2 错距 1 . 5Lw≤X2Lw时矿压显现分析 由于两工作面压力持续很大, 为确保两工作面的安全回 采, 现场将错距拉大到 26 m 左右。 对两工作面的压力进行现 场实测, 结果表明 1008 面综采支架压力不超过 40 MPa, 整个 工作面煤壁片帮现象明显减少; 0908 面靠近采空区侧单体支 柱压力均低于 35MPa, 而且有明显减小的趋势, 实现了两工作 面安全回采。 图 6 和 7分别为错距为 26 m 时 1008 面综采支 架和 0908 面采空区单体支柱压力曲线图。 当错距 X ≈26 m 时, L ≈20. 3 m, 由图 3 分析可得 , 由于 K2石灰岩顶板坚硬, 顶板缓慢下沉, 错距加大后, 坚硬顶板触 矸接地段加长, 顶板倾斜下沉角 α减小, 0908面采空区上方覆 岩压力在触矸接地段得到分散, 而不是集中在 1008 面煤壁上 方和综采支架上, 导致两工作面的压力较错距为 20 m时变小。 4. 3 错距 X≥2Lw时矿压显现分析 为了得到更加合理的错距, 现场再次把错距 X 调整到 35 m。 对两工作面压力进行现场实测, 结果表明, 与错距为 26m 图 4 错距为 20 m 时 1008 工作面中部综采支架压力变化曲线 Fig. 4 Variable curves of 1008 working face central support pressure at X≈20 m 图 5 错距为 20 m 时 0908 工作面不同单体支柱压力变化曲线 Fig. 5 Variable curves of 0908 working face single pillar pressure at X ≈ 20 m 188 Vol. 13 No. 5 安全与 环境学报 第 13 卷第 5期 图 6 错距为26 m 时1008 工作面中部综采支架压力变化曲线 Fig. 6 Variable curves of 1008 working face central support pressure at X≈26 m 图 7 错距为26 m 时0908 工作面单体支柱压力曲线 Fig. 7 Variable curves of 0908 working face single pillar pressure at X ≈26 m 时的压力相比, 错距为 35 m 时两工作面的压力没有明显减 小, 这两种错距下采空区垮落情况基本相似, 矿压显现基本相 同。因此, 坚硬顶板下极近距离煤层联合开采工作面安全错 距应该控制在顶板周期来压步距的 1. 6～ 2. 0 倍。 在两工作 面后期生产过程中, 随着地质条件的变化, 将错距控制在 26 ～ 30 m, 矿压显现效果良好。 图 8和 9 分别为错距为 35 m 时 1008面综采支架和 0908 面采空区单体支柱压力曲线图。 5 结 论 1 坚硬顶板下极近距离煤层联合开采工作面安全错距应 该控制在顶板周期来压步距的 1. 6～ 2. 0 倍。 2 与错距 1. 6Lw≤X 2Lw时的矿压显现相比, 继续拉大 错距到 X ≥2Lw时上下煤层的压力改善不明显, 说明错距不 是越大越好, 而是要控制在合理范围内。 3 工程实践表明, 在两工作面后期生产过程中, 确定的联 合安全开采错距是可行的, 实现了工作面的安全高效开采。 References 参考文献 [ 1] YAN Guochao 严国超 , HU Yaoqing 胡耀青 , SONG Xuanmin 宋 选民 , et al. 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