近距离煤层采空区下工作面矿压显现规律研究.pdf

★ 煤炭科技 开拓与开采 ★ 近距离煤层采空区下工作面矿压显现规律研究 周 楠 ，。 张 强 ， 安 百富 聂守江 1 ．中国矿 业 大学矿业 工程 学院 ，江苏省徐 州市 ，2 2 1 1 1 6 ； 2 ．煤炭 资源与安 全开采 国 家重 点 实验 室 ，江 苏省徐 州 市，2 2 1 0 0 8 * 摘 要针对 近距 离煤层 采 空区下开采 采场矿 压控 制 问题 ，根据 某煤矿 地质条 件及 工作 面布 置方 式 ，采 用物理相 似模 拟与现 场 实测相结合 的研 究方 法 ，总结 了近距 离煤 层上煤层 开 采 完毕后 ，采 空区下工作 面回采过程 中矿压 显现规律 ，进 一 步分析 了采 空区下采 场覆岩运 动 规 律 ； 由于上煤层 开采 造 成上 覆 岩层 垮 落，老 顶岩 层 完 整性 受到破 坏 ，采 空 区下煤 层 开 采 时 ，工作 面采场覆 岩构 成 “ 块 体 一散 体 一块 体” 的复合 老顶 结构 ，从 而使 工作 面开采过程 中 形成 “ 小一大初 次来压及 周期 来压” 的矿压 显现规律 。 关 键词近距 离煤层煤层 开采工作 面矿压矿压 显现覆岩运 动物理相 似模拟 中图分类 号TD 3 2 3 文献标 识码A S t r a t a b e ha v i o r b e l o w t h e g o b s o f c l o s e u p pe r s e a ms Z h o u Na n ，Z h a n g Qi a n g ，An B a i f u ，Ni e S h o u j i a n g 1 ．S c h o o l o f Mi n i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o g y ， X u z h o u ， J i a n g s u 2 2 1 1 1 6 ， C h i n a ； 2 ．S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f C o a l R e s o u r c e s a n d Mi n e s a f e t y ，X u z h o u ， J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a Ab s t r a c t Ai m i n g a t un d e r g r o u nd p r e s s u r e c o nt r o l u nd e r g o a f o f c l o s e mul t i s e a ms，a c c o r d i ng t o ge o l o g i c a l c o nd i t i on s a n d l a y o ut o f wo r ki n g f a c e，b y me a ns o f ph ys i c a l s i m u l a t i o n a nd f i e l d me a s ur e me n t m e t ho d s。we s umm e d u p t he pr e s s u r e be h a v i o r l a w a nd f u r t he r a n a l y z e d ov e r l y i n g s t r a t a mov e m e nt un de r t he go b a f t e r c l os e mul t i s e a m be i ng mi ne d o ut ．Du e t o t h e u p c o a l s e a m be i ng m i n e d o ut ， t he o ve r l yi ng s t r a t a c o l l a p s e d， l e a d i ng t o t he de s t r u c t i o n o f t he i n t e g r i t y o f r oo f ；a nd wi t h t he c o a l s e a m un de r t he g o a f be i n g mi n e d ou t ，t he ov e r l y i n g s t r a t a c o ns t i t ut e d a” b l o c k d i s c r e t e bl o c k” o f t he c o m p l e x ma i n r o o f s t r uc t u r e ．wh i c h f o r me d 。 ’ s ma l l - l a r ge f i r s t we i g ht i ng a nd p e r i o d i c we i gh t i n g”be ha v i o r l a w a s t he wo r k i ng f a c e a d va nc e d ． Ke y wo r d s c l os e mul t i - s e a m ，c o a l mi ni n g，wo r ki ng f a c e pr e s s ur e，s t r a t a b e h a v i o r s ，ov e r l y i n g s t r a t a mov e m e nt ，nu m e r i c a l s i mul a t i o n 在近距离煤层 的开采 中，由于上煤层开采后 ， 其上覆岩层垮落或裂隙发育 ，当开采下煤层时，覆 岩结构与单煤层开采有较大的区别 ，采空区下工作 面 的矿压显 现也 因此表 现 出不 同 的特征 。 本文结合某煤矿 1 0 1 1 0工作面的采矿地质 条 件 ，采 用物理 相似模 拟 、理论分 析及 现场实测 的 方法 ，分 析 了上层煤 开采完 毕后 ，采空 区下工作 面 上覆 岩层 的结 构特征及 移动 规律 ，在此 基础上 ，研 * 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 面 上 项 目 5 1 0 7 4 1 6 5 。 4 8 究了工作面的矿压显现规律 ，为类似条件的近距离 煤层采空区下工作面开采提供理论依据和借鉴。 1 采矿 地质条 件 某煤矿主采煤层为 9 和 1 O 煤层 ，9 煤层位 于太原组 中部 ，平 均 倾 角 为 6 。 ，煤 层 厚 度 0 ． 3 5 ～ 3 ． 1 m，平均 1 ． 9 m，含 1 ～3 层夹矸 ，在采区内煤 层 不稳定 。1 0 煤 层 位 于 太 原 组 中下 部 ，上 距 9 煤层 2 ～1 0 m，平均 7 m，平均倾角 7 。 ，煤层厚度 0 ． 8 9 ～3 ． 5 m，平均 2 ． 8 3 m，含 0 ～3层夹矸，为 中国煤炭第 3 7卷第 2期 2 0 1 1年 2月 层位 稳定 的可采 煤层 。 上部 9 煤 层 已 采 空 ，原 工 作 面 倾 斜 长 度 为 1 7 0 m，各工 作 面 之 间 留设 煤 柱 宽 2 0 m。为 减 少 9 煤层遗 留煤柱产生的集 中应力对 1 0 煤层 回采 的影响 ，1 O 煤层工作 面与 9 煤层工作 面呈 内错 距 1 5 m布置 ，1 O 煤层开切眼在 9 煤层开切眼外 1 5 m。1 O 一1 1 0工作面为 1 O 煤层首采面，其煤 层平均厚度为 2 ． 8 3 m，平均倾角 5 。 ，倾斜长度为 1 4 0 m，走向长度为 6 1 5 m。9 和 1 O 煤层顶底板 情况见表 1 ，工作面布置见图 1 。 表 1 9 和 1 O 煤层顶底板情况 轨 I _ l L 道 _ j ． 1 1 2 回 风 巷 l 垤 罐一 ，骘 替 一 I 9 “- l l3 进 风 巷 9 煤 区 段 煤 柱 点 1 ． } 输 联 薯 试 i ； 毒f 大 巷 l Q l 螋 l l凹 送 一 l 0 一 1 1 0 N , 盛 窿 珂 L 大 善 毛 B 二- 隶 嫩 ___ 巷 毳 最 -113 ．I f g]1 已 回 采 完 毕 10 “，1lo 212f FN 首 采 面 {萋 量 艟 喧 世 H H 潞 2 宝 -’ l lip ．1 10回 风 巷 一 _- { I bl b ； i l 六联巷 ’9 ．1 1 3 回风巷 2工作 面开 采过 程物理模 拟分 析 图 1 1 0 一1 1 0工作面布置 图 2 ． 2 9 煤 层开 采过程 物理模 拟 结果分析 2 ． 1 物 理模 型建 立及 实验 步骤 设计 根据物理相似模拟理论 ，按照该矿的矿体赋存 状况及实验待开采的范围，建立 比例为 1 1 0 0物 理模 型见 图 2 。 模 型高度 1 ． 0 9 n l ，包 括 9 煤 层 和 1 0 煤层 至 关键层 的所 有 岩 层 ，关 键 层 上 覆 岩 层 简 化 为 0 ． 0 2 MP a的均 布 载荷 ，模 型 宽度 为 2 ． 0 m，能 使 9 煤 层和 1 O 煤层工作面基本达到充分采动。模型内煤 层 间距对 应实 际 间距 为 2 ～ 1 0 r n ，由开切 眼一侧 逐 步增 加 。 实验 过程 中 ，每 隔 4 rai n回采一 次 ，每 次推 进 1 5 mm。先开采 9 煤层 ，当 9 煤层采动影 响稳定 后开 采 1 0 煤 层 。 近距离煤层采空 区下工作面矿压显现 规律研究 * g 墨 _ _ 皇 J ／ 猃 礁蚩 ，握蚩 ／泥岩 囊卿 泥 岩 啦 l 中 砂 岩 罟 j 匝 血 器 泥 岩 、 粉砂岩 湛 ＼ _ 盟壹_ 姓 1 签 砂 岩 2 0 0 曲 m 图 2 模型尺寸及煤岩情况 4 9 随工作面的推进 ，直接顶随采随垮 ，当工作面 推进至 3 7 m时 ，老顶发生初次垮落，距离切眼 1 0 m，顶板整块垮落 ，呈两段砌体梁铰接状；当工作 面推进至 5 5 m 时，老顶发生第一次周期来压 ，在 采 空 区上 方 产生 了 明显 的 裂 隙 ；当 工 作 面 推进 至 7 6 1 12 时 ，老顶 发 生第 二 次 周 期来 压 ，老 顶 上 覆 岩 层也随之下沉 ，并形成 了明显的离层带。当工作面 开 采完毕 后 ，老顶 与 以上岩层 之间 的离层逐 渐被压 实 ，形成采动裂隙压实闭合区，而在开切眼处采动 裂隙的高度也略有减小 ，但没有完全闭合，岩层断 裂角约为 6 6 。 。 由实验 过 程 可 知 ，9 煤 层 开 采 过 程 中，初 次 来压 步距 为 3 7 m，周期来 压步距 约为 1 9 m，9 煤 层 回采后 ，其顶板 5 泥岩及 4 砂岩完全垮落，3 石灰岩有明显的裂隙分布 ，但未垮落。 2 ． 3 1 O 煤 层 开采 过程物 理模拟 结果 分析 当工作面推进到 3 0 m时，顶板砂岩发生初次 断裂 ，断裂形式为块状，形成砌体梁铰接 ，其上泥 岩及原 9 煤层上部 4 与 5 岩层均随之垮落，工 作面发生第一次来压 ；推进到 4 5 m 时，1 0 煤层 顶板及其上覆岩层垮落，此时原 9 煤层上部 3 石 灰岩层断裂，并形成 “ 砌体梁”结构，其上覆岩层 随之弯 曲下沉 ，工作 面发 生第二次 来压 。 推进到 5 8 m时 ，1 0 煤层顶板及其上部 4 、 5 岩层又一次垮落 ，而 3 石灰岩层仅稍有下沉， 工作面发生第三次来压；当推进至 6 9 m，1 0 煤层 顶板及 4 、5 岩层垮落，稍后 3 石灰岩也随之断 裂，工作面第四次来压。工作面回采完毕后，1 0 煤层直接顶完全垮落至底板 ，采空区中部上方的裂 隙逐渐被压实 ，形成采动裂隙压实闭合区。 由实验过程可知 ，1 0 煤层 的基本顶 8 砂岩 及原 9 煤层顶板 3 石灰岩均形成了周期性断裂规 律 。8 砂 岩初 次断 裂步 距 为 3 0 m，周 期 性 断裂 步 距约为 1 3 m；3 石灰岩初次断裂步距为 4 5 m，周 期性 断裂步距约 为 2 1 m；1 0 煤 层开采过 程 中， 8 砂岩与 3 石灰岩的断裂交替进行 ，从而形成 了 特殊的矿压显现特点。 3工作面 覆岩结 构分析 3 ． 1 9 煤层开采后围岩情况分析 3 ． 1 ． 1 9 煤层开采对顶板的影响高度计算 1 9 煤 层 开 采 完 毕 后 ，垮 落 带 高 度 根 据 公 式 1 计算 。 5O 1 式 中 H垮 垮落带 高度 ，1T I ； M一平 均采高 ，取 1 ． 9 m； K 岩层 的碎胀 系数 。 9 煤层顶板 3 、4 、5 岩层碎胀系数 K 分 别 为 1 ． 5 、1 ． 3 、 1 ． 2 ，将 数 据 代 入 公 式 1 ，得 H 垮一 5 ． 4 1 m 。 2 9 煤层开采完毕后，裂隙带高度可根据 经 验公式 2 计算 。 H 裂 一 s ． 6 2 式 中 H裂 裂隙带高度，m。 将数据代人公式 2 ，得 H袭一2 3 3 4 2 m。 综上 所 述 ，9 煤层 开采 完毕 后 ，直 接 顶及 老 顶均全部垮落，3 石灰岩部分垮落或者只形成裂 隙，1 及 2 岩层 均形成裂 隙，岩层 结构遭到破 坏 。 3 ． 1 ． 2 9 煤 层开采 对底板 的影 响深度 计算 9 煤层开采后产生卸压区，造成底板岩层剪 切或拉伸破坏 ，产生较多的次生裂隙，此破坏深度 越 深 ，对 1 O 煤 层 开采深度 的影 响越大 。破 坏最 大 深度 h可 以利用公式 3 计算。 一 3 式中y 上覆岩层平均体积力 ，取 2 6 k N／ m3 ； H埋 深 ，取 2 8 5 m； L 工作 面长度 ，取 1 5 0 m； R 岩体单轴抗压强度 ，取 3 3 MP a 。 将相关数据代人公式 3 计算，得底板破坏 最 大深度 h 一2 ． 9 7 m。 即 9 煤层 开采完毕后 ，其底板厚度为 2 ． 8 1 1 2 的 7 泥岩结构受到破坏 ，而厚度为 4 。 2 m 的 8 砂 岩受到影响较小，岩层结构仍然较完整。 3 ． 2 1 0 煤层 开采 前覆岩 结构 分析 9 * 煤层开采完毕后 ，其 上覆岩层形成垮落带 和裂隙带。采动影响稳定后，垮落带被压实 ，但远 不能达到其原始强度，可以视为散体结构，随下层 支撑体变形；裂隙带岩层结构在开采时未完全破 坏 ，重新压实后 ，可 以视为块体结构；9 煤层底 板岩层受 采动影响，在一定深度 的岩石有裂隙发 育，但其结构也未破坏 ，仍为块体结构，随工作面 的开采，会 发 生周 期 性 的 断 裂，并 形 成砌 体 梁 结 构 。 中国煤炭第 3 7卷第 2 期 2 0 1 1年 2月 因此 ，1 0 煤层 工作 面 回采前 ，其 上 覆岩 层 形 成 了 “ 块体 一散体 一块体 ” 的复合基 本顶 结构 。根 据 9 煤层开采对底板岩层破坏深度及垮落带高度 可知，8 砂岩为 1 0 煤层直接基本 顶，部分垮 落 的 3 石灰岩为 1 0 煤层间接基本 顶，9 煤层垮落 带及 7 泥 岩为 散体夹 层 ，见 图 3 。 。 ． ． ． 。 。 0 - 一 ． j ‘ 块‘ ‘ t ． ． 1． 。 ．d 1． ． 毳 辑 薹 屋 群礤 。 。 7 泥岩 - 。 苓 ， 一 一 薹 ； 体 一 8 砂岩 直接基本顶 。 -、 构 ． _ ． ．． ． ． 。 0一 一 。 、 ■ 0 __ 、 一 王 皇 1 1 粉 岩 ≮ 二 0 一 、 f 蠢t ’ t 。 图 3 1 0 煤层开采前顶底板结构图 4矿压 显现规 律现场 实测 与分 析 4 ． 1 现 场 实测 结果 分析 1 O 1 1 0工 作 面 支 护 采 用 Z Y 7 6 0 0 ／ 1 ． 8 ／ 3 ． 7 型液 压支架 ，回采过程 中 ，安 装 了 5台支架工 作 阻 力在线监测仪 ，取安装于工作面中间位置的监测仪 数据进行分析，去除异常数据及移架过程 中的数据 变化 ，经处理 ，得 出工 作 面 回采 0 ～ 1 5 0 m 长 度 时 的支架工作阻力数据 ，见图 4 。 堇8 0 0 0 -R 7 0 0 0 萎 3 0 0 0 近距离煤层采空区下工作面矿压显 现规律研究 * 结合物理模拟及矿压监测结果可以得 出，1 O 煤层开采约 2 8 m后 ，直接基本顶断裂，散体夹层 随之垮落，间接基本顶发生弯曲下沉 ，支架工作阻 力增大到 7 4 1 6 k N，工作面发生第 一次初次来压 ， 为小初次来压；回采至 4 1 m 时，直接基本顶再次 断裂 ，并形成砌体梁结构，散体夹层随之垮落 ，此 时，间接基本顶断裂 ，上覆岩层下沉 ，工作面发生 大面积来 压 ，压力 超过 支架工 作 阻力 7 6 0 0 k N，安 全 阀开始泄压；由于此次来压 ，间接基本顶初次垮 落，涉及岩层高度及支架工作阻力均大于第一次来 压 ，因此 称 为大 初 次来 压 。1 O 1 l O工 作 面小 初 次来压 步距 为 2 8 I l l ，大 初次来 压步距 为 4 1 I I 1 。 自发生大初次来压之后 ，工作面回采至 5 5 m， 直 接基本 顶发 生 周 期性 断裂 ，散 体 夹层 随之 垮 落 ， 间接基 本 顶 只发 生弯 曲下沉 ，支 架工 作 阻力 约 5 8 1 9 k N，工作 面发 生小 周期 来 压 ；当工 作 面 继续 推 进至 6 7 I n时 ，直接 基 本顶 及 间接 基 本 顶均 发 生 周期 性断 裂 ，支 架工 作阻 力达 到 7 1 6 2 k N，由于该 次周期来压影响上覆岩层的高度及支架工作阻力都 比较大 ，称 为大周期 来压。结合实测数据分析结 果 ，1 0 ～1 1 0工 作 面 小周 期 来 压 步 距 约 为 1 4 m， 大周 期来 压步距 约为 2 5 12 1 。 5结论 针对该煤矿近距离煤层采空区下工作面矿压显 现 的问题 ，通 过 物理相似 模拟 及理 论计算 ，结合 工 作 面 的矿压 实测结 果 ，分 析得 出 以下主要 结论 。 1 近距 离 上煤 层 9 煤 层 开 采 完 毕 后 ，垮落 带高度为 5 ． 4 1 1 2 1 ，直接顶及基本 顶均全部垮落 ， 3 石灰岩形成 裂隙；对底板影响深度为 2 ． 9 7 m， 破坏了 7 泥岩的岩层结构 ，对 1 0 煤层的直接顶 板 4 ． 2 IT I 厚 的 8 砂 岩影 响较小 。 2 1 0 煤层开采前 ，工作面上覆岩层形成 了 “ 块体一散体一块体” 的复合基本顶结构 ，回采过 程 中形 成 “ 小 一 大 初 次 来 压” 及“ 小 一 大周 期 来 压 ” 的矿 压显 现规律 。 3 1 0 一 1 1 0工 作 面 小 初 次 来 压 步 距 为 2 8 m，大初次来压步距为 4 1 m，小周期来压步距 约为 1 4 m，大周期来压步距约为 2 5 r n 。 参考文献 [ 1 ] 钱 鸣高 ，石平 五 ．矿 山压力 与岩层控 制 [ M]．徐 州 中国矿业大学出版社 ，2 0 0 3 下转第 9 6页 5】 或漏风汇附近的风路上 ，通风构筑物不应选择在漏 风源和漏风汇之间 ，应将其设在漏风源的进 风侧 ， 或漏风汇的回风侧 。对于采用 u型通风的工作面， 工作面回采结束后 ，边眼内应严禁构筑挡风墙 。 4工 程应用 以邢台矿 区葛泉矿 东井为例 ，2 0 0 7年 5月 5 日，1 1 9 2工作面在出现大 范围的高温异常区 ，通 过采取三相泡沫灭火 、均压等技术 ，5 d后就迅速 控制了火灾 形 势，工 作 面 回风流 中 C O 降 为 0 ， C z H 也为 0 ，且这些火灾标志性气体 的浓度一直 没有再上升 。工作面从 5月 2 8日开始撤架 ，6月 1 2日顺利拆完封闭，工作面在近 4 5 d未推进 的情 况下 ，火区未复燃 ，也没有再次出现高温异常区。 同时沿巷喷涂隔风的效果也非常显著 ，由图 5 可以看出，葛泉矿东 1 1 9 1 运料巷喷涂后，1 1 9 2采 空区的氧气浓度由 1 2 下降至 4 ． 5 ，说明复合浆 体材料 隔 风性 能 优越 ，能 有效 防 止采 空 区煤炭 自燃 。 1 i ． ． ． 1 ‘ ． 一． 0 I n 0 l n 0． n 0- n 0． n 0 I n 0． n 0． n 0 一 1 一 一一 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 f , q 日期 图 5 1 1 9 1 运料巷喷涂前后 1 1 9 2采空区氧气 浓度变化 5结论 1 针对邢台矿区采用综采放顶煤开采的高硫 自燃下组煤层发火特点 ，进行了 自燃指标气体的分 析，选择以 C O和 H 作为对煤炭 自燃的预报指标 ， C z H 、C z Hz 分别作为高温发热区、明火出现的标 志 。 2 建立 了综合 防灭火 技术 体系 。以束管 监测 和煤体温度监测相结合作为煤炭 自然发火的早期预 报 系统 ；以三 相泡 沫 防灭 火 技术 扑 灭 采 空 区火 灾 ； 沿空巷道喷涂隔风复合浆体防灭火技术解决了沿空 巷道 向采空区漏风引起煤层 自燃的难题 ；实施均压 防灭火技术合理分配工作面风量 ，减小了采空区的 漏风 状况 。 参考文献 [ 1 ] 梁晓瑜 ，王德 明，秦波 涛等 ．粉煤灰 三相泡 沫防治 煤炭 自燃 的应用研究 口]．中国煤炭 ，2 0 0 6 1 O [ 2 3 吴超 ，孟廷让 ．高 硫矿井 内因火灾 防治 理论 与技术 [ M]．北 京冶金工业 出版社，1 9 9 5 [ 3 ] 周福宝 ，王德 明，章永 久等 ．含氮气三 相泡沫惰 化 火 区的机理及应用研究 [ J ]． 煤 炭学报 ，2 0 0 5 4 [ 4 ] 周福宝 ，李金海 ，刘应 科等 ．复合浆体 喷涂新 材料 及其 隔风特性 [ J 3．煤炭学报 ，2 0 1 0 7 作者简介 赵兵文 1 9 6 3 一 ，男 ，河北任 县人 ，正高 级工程 师 ，长期从事 煤矿 生产技术 管理 工作 ，中国矿业 大 学 北京资源与安 全工程学院 博士研究 生 ，现任 冀中能 源股份 有限公司总工程师 。 责任编辑梁子荣 上接 第 5 1页 [ 2 ] 钱鸣高 ，缪协 兴 ，许家林 ，茅献 彪 ．岩层控制 度 的 关键层理 论 [ M] ．徐 州 中 国矿 业 大学 出版 社 ， 20 03 [ 3 3 李春林 ，王志刚 ．缓倾 斜超 近距离煤 层开采相 似模 拟实验研究 [ J 3．辽宁工程 技术大学学 报 自然科 学版 ，2 0 1 0 5 [ 4 ] 刘巍 ， 高召宁 ．浅埋煤 层开采 矿压显 现规律 的相似 模拟 [ J ]．矿 山压力与顶板管理 ，2 0 0 5 2 [ 5 3 付玉平 ， 宋选 民 ， 邢平伟 ．浅埋煤层大采高超 长工作 面垮 落带 高度 的研 究 [ J ]．采矿 与安 全工 程学 报 ， 2 01 0 2 9 6 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 栾元重 ，李静涛，班训海 ， 桑春 阳， 张长琦 ， 马德鹏 ， 王志刚 ．近距煤层开采覆 岩导水裂 隙带高度 观测研 究 [ J ]．采矿与安全工程学报 ，2 0 1 0 1 肖福坤 ， 段 立群 ， 葛 志会 ．采煤工作面底板破裂规律 及瓦斯抽放应用 E J ]．煤炭学报，Z 0 1 0 3 张有朝， 吴 秀仪 ， 刘 长武，曾德建 ．老顶初次来压 时 工作面底板破坏深度研究 [ J ]．煤炭科技，2 0 0 8 1 作者简介 周楠 1 9 8 8 -- ，男 ，中国矿业大学采矿工 程硕士研究生 ，主要 研究方 向为采动岩体 控制及 固体废弃 物充填采煤技术。 责任编辑张毅玲 中国煤炭第 3 7卷第 2 期 2 0 1 1年 2月