保护层开采条件下被保护层煤体变化规律研究.pdf

1792020 年第 9 期 王文林等保护层开采条件下被保护层煤体变化规律研究 保护层开采条件下被保护层煤体变化规律研究 王文林 1 马 赛2 （1. 山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西 晋城 048006； 2. 山西晋煤集团技术研究院有限责任公司，山西 晋城 048006） 摘 要 为了解保护层开采过程中被保护层煤体变化规律，采用钻孔应力计、钻孔电视及沉降观测等方法进行研究。结 果表明受下方 9煤工作面回采影响，在 3煤体不同区域内应力呈现出先增高又降低再增高并最终稳定的规律；3煤体 及顶板内部出现新生裂隙及裂隙增生；3煤层底板沉降分 3 个阶段，最大沉降量 1154 mm。 关键词 被保护层 煤体应力 裂隙发育 沉降变形 中图分类号 TD823 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.09.067 Study on Change Law of Coal Body under Protective Layer Mining Wang Wenlin1 Ma Sai2 Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group Co., Ltd., Shanxi Jincheng 048006; 2.Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group Technology Research Institute Co., Ltd., Shanxi Jincheng 048006 Abstract In order to understand the change law of the coal body in the protected layer during the mining process of the protective layer, the borehole stress meter, borehole TV and settlement observation are used to study. The results show that affected by the mining of No.9 coal face below, the internal stress in different areas of No.3 coal seam increases first, then decreases and then increases, and finally becomes stable; there are new cracks and crack proliferation in the coal body and roof; the floor settlement of No.3 coal seam is divided into three stages, and the maximum settlement is 1154 mm. Key words protected seam coal stress fracture development settlement deation 收稿日期 2020-03-16 作者简介 王文林（1968），男，山西晋城人，本科，高级工程师， 山西晋煤集团人力资源管理中心主任，主要从事煤矿开采技术及管理 工作。 随着浅部易采资源逐渐减少，开采正在逐渐向 高瓦斯、高应力区域转移 [1-2]。对于多煤层赋存井田， 可以进行保护层开采 [3]，在保护层开采过程中，被 保护层煤体的应力如何变化、煤体结构是否遭到破 坏、煤体沉降规律等均需要进行深入研究 [4-5]。以寺 河二号井为试验矿井，采用现场实测的方法，对保 护层开采过程中被保护煤体的应力变化规律、受影 响程度、 沉降规律进行研究， 为保护层开采提供依据。 1 工程概况 寺河二号井井田范围内有 3 层可采煤层，分别 为 3、9、15煤，煤层间距分别为 50 m、45 m。 3煤层平均厚度为5.9 m， 多数为高瓦斯和突出区域， 9和 15煤平均厚度为 1.5 m、2.4 m，具备良好的 保护层开采自然条件。采用上行开采，进行下保护 层开采，可以最大限度地解放 3煤层。 94302 工作面开采 9煤层，工作面倾斜长度为 150 m，走向长度 492 m，平均开采厚度为 1.5 m， 其上方50 m处的3煤层中， 布置有六西北二运输巷， 如图 1 所示。以六西北二运输巷为观测巷道，观测 94302 工作面回采过程中 3煤体变化规律，为保护 层开采提供依据。 图 1 94302 工作面与观测巷道关系 王文林等保护层开采条件下被保护层煤体变化规律研究 1802020 年第 9 期 2 3煤体应力变化规律 2.1 应力测点布置 工作面回采前，在 3煤运输巷内布置 5 个钻孔 应力计，从内向外依次编号为 1、2、3、4、5， 如图 1 所示。相邻两个钻孔应力计间距为 5 m，钻 孔均垂直于观测巷帮煤壁施工， 安装深度均为10 m， 采用油枕型钻孔应力计，初始注油应力为 8 MPa。 2.2 煤体应力变化规律 工作面回采过程中持续对各钻孔应力计测点进 行数据采集，并对监测数据进行整理分析。在 5 个 应力测点中，1与 5钻孔应力计工作正常，规律比 较明显，2、3、4应力计工作不正常，监测数据 无明显变化。以 1、5为例对煤体应力的变化进行 分析，应力变化曲线如图 2 所示。 图 2 3煤体应力变化曲线图 由应力变化曲线可以看出，受下方 9煤工作面 回采影响，3煤体应力在超前 9煤工作面 50 m 开 始增高，超前下方工作面 1219 m 处应力达到最大 值。其中 1测点在工作面前方 19 m 处达到最大应 力值，为 13.9 MPa，5测点在工作面前方 12 m 处 达到最大值，为 14.6 MPa。随着工作面的继续推进， 应力开始逐渐降低，在工作面回采过测点正下方后 应力降低速度变大，并在工作面后方 12 m 处降至 最小值。其中 1测点应力值 2.1 MPa，5测点应力 值为 2.3 MPa。在工作面后方 12 m 以远区域煤体应 力又逐渐增高，并在工作面后方 62 m 处逐渐趋于 稳定。从监测数据来看，重新稳定区域应力略小于 原始应力，其中，1测点应力值 7.2 MPa，5测点 应力值为 7.8 MPa。 3 3煤体及顶板破坏规律 3.1 测试方案 通过钻孔窥视方法，观察采动前后 3煤体裂隙 的发育情况。在下方工作面回采前，对 3煤体进行 窥视，并通过图像处理软件，对钻孔内裂隙数量、 宽度、角度等进行量取。待工作面回采过测试钻孔 100 m 后，再次对钻孔进行窥视，分析采动前后煤 体及顶板的破坏情况。 共施工 3 个钻孔，编号为 1 号、2 号、3 号钻 孔，钻孔水平方向垂直于巷帮，竖直方向上仰角为 15，钻孔施工深度为 40 m，开孔高度为 1.5 m， 孔口 017 m 为煤孔，1840 m 为顶板岩孔。为减少 巷道的影响，煤孔 08 m 区域不进行分析。 3.2 测试结果分析 以 1 号孔观测数据为例进行分析。受采动影响 前， 3煤体以及顶板内均存在原生裂隙， 如图3所示。 受下部工作面采动影响后，3煤体以及顶板岩层内， 有新裂隙生成，如图 4 所示。 煤体 顶板岩层 图 3 1 号钻孔采前图片 顶煤 顶板岩层 图 4 1 号钻孔采后图片 对 3煤体裂隙数量、角度、宽度进行统计，统 计结果见表 1。 表 1 采动前后煤岩体裂隙发育情况 测试项目 采前裂隙数量 / 条采后裂隙数量 / 条 煤体顶板煤体顶板 数量521310 角度 02042119 ＞ 201021 宽度 02 mm521210 ＞ 2 mm0010 从统计结果可以看出，工作面回采前，3煤体 及顶板内均有原生裂隙存在，裂隙与水平面角度多 在 20以下，裂隙宽度基本在 2 mm 以内。受下方 工作面采动影响，煤体内裂隙由采前的 5 条增加至 13 条，顶板裂隙由采前的 2 条增加至 10 条，说明 1812020 年第 9 期 王文林等保护层开采条件下被保护层煤体变化规律研究 下方工作面回采对上覆 3煤层及顶板有直接影响作 用。但是根据统计数据，新生成裂隙多以小角度和 低宽度为主，说明受采动影响后，上方 3煤及顶板 主要表现为煤岩体损伤，整体结构并未受到破坏。 4 3煤体沉降规律 4.1 观测方案 为了解保护层开采过程中被保护层煤体沉降规 律，在 3煤观测巷道内，沿煤层底板布置 13 个观 测点， 以煤层底板沉降规律来反应3煤体沉降规律， 同时对各测点处巷道表面位移进行观测，消除巷道 底鼓对数据产生的影响。 4.2 观测结果分析 以 1 号沉降点为例，分析不同时期 3煤层的沉 降规律，1 号测点的沉降曲线如图 5 所示。 图 5 1 号沉降点沉降曲线 从图中可以看出，煤层沉降主要分为 3 个阶段 （1）初始沉降阶段。从工作面前方 20 m 开始， 至工作面回采至测点正下方，该阶段岩层在竖直方 向沉降不明显。当工作面回采至距离测点 2 m 时， 测点出现微小的抬升现象，抬升值为 27 mm，但随 着工作面的推进很快消失。 （2）剧烈沉降阶段。当工作面回采过监测点 043 m 时，岩层的沉降速度开始明显增大，3煤体 开始出现快速沉降，该阶段沉降量为 1071 mm。 （3）沉降衰退阶段。当工作面推过监测点 43 m 以远时，煤体沉降逐渐趋于缓和，在工作面后 60 m 处基本趋于稳定，整体沉降量 1154 mm。 5 结论 （1）受下部工作面回采影响，被保护层煤体 超前下部工作面 50 m 开始有应力增高现象，在工 作面前方 1219 m 处达到应力最大值，在工作面后 方 12 m 处降至最低值，工作面后方 12 m 以远应力 开始恢复，并在工作面后方 62 m 处趋于稳定，稳 定时煤体应力值略小于原始应力。 （2）下部工作面的回采对 3煤体及顶板产生 直接影响，煤体内部出现新生裂隙及裂隙增生，但 裂隙发育多以小角度、低宽度为主，主要表现为煤、 岩体内部的损伤，并未造成煤岩体的破坏。 （3）随着下部工作面回采，3煤体沉降主要 分为 3 个阶段在工作面前方 20 m 至工作面正上 方区域为初始变形阶段，变形较小；工作面后方 043 m 为剧烈沉降阶段；工作面后方 43 m 开始为 沉降衰退阶段，并从工作面后方 60 m 开始沉降逐 渐趋于稳定，最大沉降量为 1154 mm。 【参考文献】 ［1］ 王成，张农，李桂臣，等 . 上行开采顶板不同区 域巷道稳定性控制原理 [J]. 中国矿业大学学报， 2012，41（04）543-550. ［2］ 张王磊，熊祖强，王红岩，等 . 下保护层开采条 件下上覆巷道变形规律研究 [J]. 煤炭科学技术， 2014，42（05）9-1216． ［3］ 王海锋，程远平，刘桂建，等 . 被保护层保护范 围的扩界及连续开采技术研究 [J]. 采矿与安全工 程学报，2013，30（04）595-599. ［4］ 王志强，冯瑞敏，高运，等 . 突出煤层实现连续 卸压的倾斜近距下保护层开采技术研究 [J]. 岩石 力学与工程学报，2013，32（增 2）3795-3803. ［5］ 王海锋，程远平，侯少杰，等 . 倾斜煤层远距离 上被保护层连续卸压保护技术研究及应用 [J]. 采 矿与安全工程学报，2010，27（02）210-214. 地质超前预报技术在矿山的应用 [J]. 地质装备， 2013，14（01）37-40. ［5］ 孙天学，陈遵义，郝进喜，等 .TRT 地质超前预 报技术在矿山中的应用探讨 [J]. 地质与资源， 2013，22（03）238-242. ［6］ 付宗智 . 铝土矿山超前探水预报及水灾害治理研 究 [D]. 长沙中南大学，2013. （上接第 178 页）