长平矿下保护层开采上覆煤岩体卸压变形分析.pdf

第 35 卷第 3 期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2016 年 3 月 Vol.35 No.3 Journal of Liaoning Technical University（Natural Science） Mar. 2016 收稿日期2014-11-18 基金项目黑龙江省普通高等学校采矿工程重点实验室开放课题（2014KF02） 作者简介张宏伟（1957-） ，男，黑龙江 汤原人，博士，教授，主要从事矿山压力与矿井动力灾害防治方面的研究. 通讯作者金宝圣（1990-） ，男，辽宁 辽阳人，硕士研究生，主要从事矿井动力灾害与防治方面的研究. 本文编校史庆华 辽宁工程技术大学（自然科学版网址http//202.199.224.158/ 张宏伟,金宝圣,霍丙杰,朱峰,付兴,路洋波.长平矿下保护层开采上覆煤岩体卸压变形分析[J].辽宁工程技术大学学报自然科学 版,2016,353225-230. doi10.11956/j.issn.1008-0562.2016.03.001 ZHANG Hongwei,JIN Baosheng,HUO Bingjie,ZHU Feng,FU Xing,LU Yangbo.Analysis on pressure relief and deation of overlying rock-coal as lower protective seam mine in Chang ping mine[J].Journal of Liaoning Technical UniversityNatural Science,2016,353225-230. doi10.11956/j.issn.1008-0562.2016.03.001 长平矿下保护层开采上覆煤岩体卸压变形分析 张宏伟 1，金宝圣1,3，霍丙杰1,2，朱 峰1，付 兴1，路洋波1 （1. 辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000；2. 黑龙江科技大学 黑龙江省普通高等学校采矿工程重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150022；3. 同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司，山西 朔州 036000） 摘 要为研究长平矿下保护层开采问题，依据长平矿的地质条件制作相似材料物理模型，在下保护层开采过程 中，分析上覆岩层的运动规律和被保护层的应力分布，并用面积膨胀变形率考察被保护层的膨胀变形效果.保护 层开采完毕后，得出垮落带和裂隙带高度分别为保护层采高的6倍和20倍，且被保护层位于裂隙带的中上部.随工 作面的推进，被保护层的应力依次呈“V” 、 “U”和“W”型分布，最大卸压系数为47％；根据上覆岩层的应力 变化得出保护层开采完毕沿走向的卸压角为60.被保护层的最大膨胀变形率为7.7‰， 模型开采完毕后，在工作面 后方25～125 m被保护层的膨胀变形率均大于3‰.试验为长平矿下保护层开采被保护层卸压效果分析、巷道布置 等提供理论依据. 关键词下保护层；卸压角；覆岩运动；应力变化；膨胀变形率 中图分类号 TD 325 文献标志码 A 文章编号 1008-0562201603-0225-06 Analysis on pressure relief and deation of overlying rock-coal as lower protective seam mine in Changping mine ZHANG Hongwei1, JIN Baosheng1, HUO Bingjie1,2, ZHU Feng1, FU Xing1, LU Yangbo1 1.College of Mining Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China;2.Key Laboratory of Mining Engineering, College of Heilongjiang Province,Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, China;3.Datong Coal Zheneng Majialiang Coal Mine Co.,Ltd, Shuozhou 036000, China） Abstract The paper made similar material model according to geological conditions of Chang ping，analyzed on the movement law of above strata, stress distributions and studied the swelling deation effects by area welling deation rate of protected seam in mining process of lower protective layer. This study concluded that the height of “caving zone“ and “fracture zone“ is 6 and 20 times of coal layer and protected seam is in upper part of “fracture zone“. The style of stress distributions of protected seam is “V“ “U“ and “W“ with face advance and the largest depressurization coefficient is 47. The effective pressure releasing angle in the strike is about 60according to stress change of overlying strata of above strata. The largest swelling deation rate is 7.7‰. Swelling deation rate of protected seam is more than 3‰ behind the working face from 20m to 120m when similarity simulation mining is finished. The experiment provides theoretical basis for the effect on pressure relief and roadway layout of lower protective seam mining analysis in Chang ping mine. Key words lower protective layer; pressure releasing angle; overlying strata movement; stress change; swelling deation rate 0 引言 保护层周围的煤岩层在保护层开采后将向采 区移动，在采空区的上方会形成自然冒落拱，采空 区下方岩体则膨胀形成裂隙.保护层开采卸压机理 次序为开采保护层岩层移动被保护层卸压 煤（岩）层瓦斯排放能力增高[1].保护层开采历史悠 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第 35 卷 辽宁工程技术大学（自然科学版网址http//202.199.224.158/ 226 久，最早在法国、德国、波兰、前苏联等采矿业较 发达的国家出现，中国在淮南、南桐、阳泉、铁法 等矿区也曾用开采保护层的方式来治理矿井瓦斯， 实践证明国内外开采保护层的方式治理矿井瓦斯 均取得了良好的效果[2].国内众多学者对保护层开 采进行了大量理论研究，文献[3-7]运用相似材料模 拟的方法分析了在保护层开采过程中被保护层的 应力变化，得到被保护层煤体应力分布特征，确定 了沿走向、 倾向的最大卸压角.刘三钧等人运用实验 室相似材料模拟试验，通过对远距离下保护层开采 相似模拟研究分析，得出上覆煤岩裂隙动态演化规 律[8].文献[9-13]运用数值模拟的方法分析了在保护 层开采过程中上覆岩层的运动及被保护层的膨胀 变形规律，得出了在保护层开采过程中，被保护层 膨胀变形规律分布曲线.本文运用相似材料模拟分 析长平矿在下保护层开采过程中上覆岩层的运动 规律、被保护层的应力的变化、膨胀变形率等，为 长平矿下保护层提供理论依据. 1 工程概况 长平矿 3煤层厚度在 4.60～6.35 m，平均厚度 5.58 m.含泥岩、炭质泥岩夹矸 0～2 层，结构简单， 3煤层由东向西瓦斯含量逐渐增高，四盘区现采掘 活动区域的原始瓦斯含量为 6.5～7.8 m3/t，由于 4304 工作面的三条顺槽受地质构造影响， 瓦斯含量 有所增大，最高达到 15.09～m3/t，在生产过程中， 局部区域多次发生瓦斯异常涌出现象.8煤层位于 3煤层的下方， 层间距为 37 m； 8煤层厚度在 0.4～ 2.85 m，平均为 1.5 m，煤层厚度比较小，瓦斯含量 比较低，为非突出煤层；煤层平均倾角为 8左右， 属近水平煤层；根据 8煤层行人暗斜井揭露的 8 煤层赋存状态显示，8煤埋藏深度为 600 m，从顶 板向下依次为三层煤二层矸，顶板强度较低，为炭 质泥岩煤层结构复杂. 为了治理 3煤层（被保护层）瓦斯，可以先开 采无突出危险的 8煤层（保护层）对有瓦斯动力现 象的 3煤层进行卸压保护.实验区 84301 工作面为 保护层工作面，倾向长度为 150 m，走向长度 1 500 m，周围均为实体煤，采用“四六”制的劳动 作业组织形式，即三班采煤一班检修.34310 工作面 为被保护层工作面.由于保护层煤层较薄并且顶板 强度较低，所以在保护层工作面回采过程中可以煤 岩一起采，采高设计为 2 m. 2 相似模拟实验模型及测试方案 2.1 实验材料及设备 制作模型材料实验骨料为细河沙，基料为水 泥、石灰、石膏和云母粉（模拟岩层层理或断层） ， 为防止模型凝固速度过快影响模型制作效果，采用 四硼酸钠（硼砂）作为缓凝剂. 监测煤层应力及膨胀变形率设备YJZ-32A 智能 数字应变仪、BW-5 型微型压力盒、XJTUDP、 XJTUSD 三维光学摄影测量系统. 2.2 模型相似条件的确定 本次试验应用平面应力模型模拟煤层的走向， 相似材料试验台的长、宽和高分别为 1 800 mm、 300 mm 和 2 000 mm.模型的几何相似比为 1/100；时 间相似比为 1/10，即模型开挖 2.4 h 相当于实际煤矿 开采 1 d；容重相似比为 0.68.模拟的高度为200 m， 共 55 层，部分模拟煤岩层配比见表 1. 表 1 部分模拟煤岩层配比 Tab.1 scale of part of simulation coal and rock ratio 岩性 层厚度/m 岩石单轴抗压强度 /MPa 模拟单轴抗压强 度/MPa 配比号 3煤 5.6 56.73 0.059 355 砂质泥岩 2.2 41.35 0.153 364 砂质泥岩 4.5 41.35 0.153 364 细粒砂岩 1.8 71.53 0.265 437 K7 砂岩 1.5 71.53 0.265 437 砂质泥岩 3.0 41.35 0.153 364 K6 石灰岩3.4 82.31 0.507 955 泥岩 1.6 31.46 0.245 355 粉砂岩 2.2 55.73 0.206 437 砂质泥岩 4.3 41.35 0.153 364 K5 石灰岩2.7 82.31 0.507 955 泥岩 1 31.46 0.245 355 粉砂岩 0.9 55.73 0.206 437 泥岩 3.3 31.46 0.245 355 砂质泥岩 5.2 41.35 0.153 364 8煤 2 56.73 0.059 355 8煤层埋藏深度为 600 m，受采高和几何比的 限制，模拟高度仅 185 m，上覆未模拟岩层需用液 压系统加载，每平方米加载载荷 qm mpσp1σ qqgHHαα−705 50 Pa/m2 ， （1） 第 3 期 张宏伟，等长平矿下保护层开采上覆煤岩体卸压变形分析 辽宁工程技术大学（自然科学版网址http//202.199.224.158/ 227 式中，qm为模型的模拟自重应力，Pa；qp为原始自 重应力，Pa；gp为岩层的原始密度，取 2.5104Pa； H 为埋藏深度，600 m；H1为 8煤模拟上方覆岩的 高度，185 m； σ α为应力比，0.006 8.由模型的几何 尺寸可知整个 模 型需 加 压 64 kPa.每 片须施 12.8 kN，由于每个油缸直径为 5 cm，所以计算出 其工作的液压载荷为 6.510 6Pa. 2.3 位移监测点的布置方法 将测量系统的编码标识点固定在模型架子上， 为考察被保护层的膨胀变形量在被保护层的顶底 板每隔 5 cm 布置一个非标识点，再以被保护层的 顶底板为基准，分别向上和向下每隔 10 cm 布置一 组非标识点，且其水平间距为 10 cm，直到把整个 平面布满为止. 2.4 应力监测点的布置方法 为考察被保护层在开采过程中应力的变化，本 实验运用 BW-5 型微型压力盒进行应力监测，在被 保护层中，从距模型的左侧 10 cm 起每隔 10 cm 布 置一个 BW-5 型微型压力盒直到距模型的右侧 10 cm，共需布置 16 压力盒. 2.5 模型开采 为了消除边界效应，模型左右分别留 20 cm、 15 cm 的煤柱，模型从左侧开挖，根据 8煤层设计 开采工艺参数和时间相似准则，每 36 min 开采 2 cm，每推进 3 次需等待 36 min 模拟检修班，在每 次开采结束后，拍照记录，用 XJTUDP 软件进行位 移分析. 3 模拟试验结果分析 3.1 覆岩运动及裂隙分布规律 保护层开采后产生一定的自由空间，上覆岩层 在自重应力的作用下发生移动变形甚至破坏.在保 护层工作面推进过程中，上覆岩层运动过程及裂隙 发育情况见图 1. 当工作面推进 145 m 时，上覆岩层发生弯曲下 沉，由于各个岩层的物理力学性质不同，导致其弯 曲挠度有所不同， 其下沉量亦不相同.在开切眼后方 和工作面前方，煤壁对上覆岩层存在一定的支承作 用，受支承压力影响，顶板岩层下沉量整体偏小. 在工作面后方 15～95 m 范围内，上覆岩层向采空 区发生较大的位移，其上覆岩体的最大下沉量一般 发生在采空区中部.综上所述， 上覆岩层距下保护层 顶板越远，其下沉量越小，产生大量横向裂隙，为 被保护层的膨胀变形提供有利的条件，同时也为卸 压瓦斯提供了良好的储存空间. （a）工作面推进 18 m 直接顶初次垮落 （b）工作面推进 60 m 基本顶初次垮落 （c）工作面推进 145 m 被保护层中的裂隙分布 图 1 工作面推进不同位置覆岩运动及裂隙分布特征 Fig.1 overlying strata movement and fracture distribution when face advances different positions 图 2 工作面推进 145 m 时顶板不同高度岩层垂直位移 Fig. 2 vertical displacement curve of from roof to different heights of rocks when face advances 145 meter 工作面推进方向 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第 35 卷 辽宁工程技术大学（自然科学版网址http//202.199.224.158/ 228 3.2 被保护层的应力分析 保护层开采将使被保护层的弹性潜能得到释 放，破坏上覆煤（岩）体原岩应力场，导致上覆煤 岩体的应力场重新分布，为了解其应力变化规律， 定义卸压系数 k 来反应岩层中应力的变化程度，其 定义式为 ％100 0 0 − σ σσ k ， （2） 式中，k 为岩层卸压系数；σ0为原岩应力值；σ 为开 采后岩层应力值. 当 k0 时，σ0σ，表明保护层开采后被保护层 产生卸压作用，处于卸压状态；当 k0 时，σ00.99. 32 432 133.739.49918.69030.4 8036.289183258.9410.6 30.439.1 39.17.6 kkkk vkkkkk k −⎧ ⎪ −− ⎨ ⎪ ⎩ ≤ ≤ ≥ （％％） （％％） （％）‰ .（4） 4 结论 （1）保护层基本顶初垮步距为32 m，周期垮 落步距为14～17 m，保护层开采完毕后，垮落带高 度为12 m为采高的6倍，裂隙带高度40 m为采高 的20倍；被保护层位于裂隙带的中上部，完整性 较好. （2）被保护层的卸压效果与保护层开采范围 有关， 随着工作面的推进， 被保护层应力依次呈 “V” 型（基本顶未发生垮落） 、 “U”型（基本顶初次垮 落）和“W”型（基本顶周期性垮落）分布.保护层 开采完毕时在工作面后方25～125 m，垂直应力在 6.10～8.80 MPa，卸压系数为23.6～47，卸压角 约60，取得良好的卸压效果. （3）提出用面积膨胀变形率来考察被保护层 的膨胀变形效果，分析了长平矿卸压系数与煤层膨 胀变形率的方程.保护层开采过程中， 最大膨胀变形 量为7.5‰，工作面后方25～125 m处被保护层的 膨胀变形率均在3‰以上，被保护层达到理想的卸 压增透效果，为长平矿3低透煤层的瓦斯高效抽采 提供了保障. 参考文献 [1] 魏刚.红菱煤矿保护层开采裂隙演化规律的相似模拟实验[J].辽宁工 程技术大学学报自然科学版,20122185-188. 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