大同矿区特厚煤层综放采场矿压显现规律研究.pdf

第 36卷第 1期煤 炭 科 学 技 术 Vol36 No1 2008年1月 COAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Jan. 2008 大同矿区特厚煤层综放采场矿压显现规律研究 吴 永 平 大同煤矿集团有限责任公司, 山西 大同 037003 摘 要 为研究大同石炭系特厚煤层综放工作面矿压显现规律,通过对大同塔山矿石炭系特厚煤层 综放工作面的支架阻力监测, 以及采用微地震监测系统及地面钻孔电视对工作面顶板的运移规律进 行观测, 得出了特厚煤层综放开采过程中的顶板来压显现规律,同时, 分析了推进速度、支架状况 及地质构造对顶板控制的影响,基本掌握了回采工作面顶板矿压规律, 为石炭系特厚煤层中综放开 采的成功应用提供了科学依据。 关键词 特厚煤层; 综放开采; 矿压规律;石炭系 中图分类号TD323 文献标志码A 文章编号0253- 2336 2008 01- 0008- 03 Research on strata behavior law of fully mechanized longwall caving mining face in extra thick sea m in DatongM ine Area WU Yongping Datong CoalM ineGroup Corporation Ltd. , Datong037003, China Abstract In order to research the strata behavior law of the fully mechanized longwall cavingm ining face in extra thick sea m ofCarbonif erousDatong, w ith themonitoring andmeasure mentof the support resistances in the fullymechanized long wall cavingm ining face in extra thick seam of Carboniferous Syste m, TashanM ine and with them icro seism icmonitoring and measuring syste m and surface borehole TV applied tomonitor and measure themoving and displacement of the roof above the mining face ,the strata behavior la w of the roofduring the fully mechanized caving m ining in the extra thick seam was obtained. A lso the paper analyzed the face advancing speed, support con dition and geological tectonics effected to the roof contro. l The roof pressure law wasbasically mastered, which could provide the scientific basis of the successful application to the fullmechanized caving m ining in Carboniferous extra thick sea m. K ey words extra thick seam;fully mechanized longwall caving m ining ;strata pressure la w;Carboniferous 大同矿区塔山矿主采的石炭系 3- 5号煤层为 典型的合并煤层, 煤层厚度大、结构复杂, 顶板岩 性变化大,首次采用放顶煤开采对围岩的运动规 律、矿压显现、顶板控制等无经验可借鉴。研究特 厚煤层综放开采的矿压显现规律, 制定有针对性的 顶板控制措施,成为放顶煤开采技术在大同石炭系 特厚煤层开采中成功应用的关键。 1 塔山矿 8102首采工作面基本情况 塔山矿石炭系 3- 5号煤层 8102首采工作面对 应地面为茶叶沟、山沟及山梁,煤层埋深 418 522m, 与上覆侏罗纪煤层间距为 374 402 m。 该工作面煤层赋存稳定,厚度 1263 254 m, 平均 1687 m。煤层节理裂隙发育,普遍含 3 8层夹矸, 属复杂结构煤层,夹矸的岩性主要以 高岭岩、高岭质泥岩及炭质泥岩, 局部为粉砂岩或 细砂岩。该煤层上部 60 m左右, 因煌斑岩的穿插 破坏,煤层受热变质或硅化,结构疏松、易碎, 使 煤层结构与煤层趋于复杂化,无工业利用价值。 工作面开采区域顶板岩性主要由炭质泥岩、粉 砂岩、细砂岩、硅化煤、煌斑岩、煤线等组成的互 层, 分层厚度小, 变化大, 为典型的复合顶板, 局 部发育有较厚层的粉细砂岩、粗砂岩顶板, 厚度在 4 10 m,分布范围在距工作面切眼 320 700 m, 顶板岩石抗压强度一般为 29 67MPa 。底板为高 岭质泥岩,碎屑高岭岩和粉砂岩。 工作面倾斜长 2305m、走向长 1 650m,机采 高度为 35m, 顶煤厚度 913 219 m。工作面运 输巷 55 m 35 m、回风巷 52 m 35 m。巷道 支护形式为锚梁网。工作面布置 ZF10000/25/38低 位放顶煤液压支架共 131架,支架中心距为 175 m。采用一采一放多轮顺序放煤,循环进度 08m。 8 吴永平 大同矿区特厚煤层综放采场矿压显现规律研究2008年第 1期 2 矿压观测内容及配置 21 工作面支架工作阻力观测 ZF10000/25/38低位放顶煤液压支架额定工作 阻力为 10 000 kN。液压支架工作阻力采用 ZYDC - 1型矿用数字综采支架压力监测系统连续监测。 该系统可对支架工况、顶板压力进行监测, 对支架 受力进行分析,自动绘出曲线及报表。工作面共设 14个测 点,分别安 装在5,10,21,32,43 , 54,64 ,73 ,82 ,93,104 ,115 ,126 ,131号支 架。 22 煤壁片帮及端面破碎度观测 与支架工作阻力测线相对应, 分别观测支架前 方煤壁的片帮与顶板破碎情况。采用超声波测距仪 或钢卷尺测量,每天测一次数据, 来压期间每个班 量测一次,将量测的数据输入计算机, 并进行客观 描述和分析。 23 巷道矿压观测 采用动态监测仪和钢卷尺观测支架压缩量和顶 板活动状况。 在两巷内布置顶板动态监测仪和钻孔应力计, 观测巷道顶板位移、覆岩内应力场低应力区 、 塑性变形区、外应力场高应力区 影响范围及 发展规律。 24 顶板及顶煤破裂情况观测 采用微地震观测技术,观测顶板岩石及煤层 破坏情况,在 8102工作面运输巷距工作面开切 眼 100 ,150 ,200和 250 m 处设 4个监测钻孔。 每个钻孔内安装 4个三分量微地震信号接收传感 器。在距工作面 250 m 处设数据接收处理总站, 用来实时监测煤层及顶板岩石的破裂、破坏和垮 落。 25 顶板岩层垮落状态及运移规律观测 根据塔山矿首采面相对地面位置、预测的顶板 运移情况及微地震仪传感器布置情况综合考虑, 布 置 2个地面观测钻孔,采用数字全景钻孔摄像成图 系统对塔山矿 8102工作面进行地面钻孔观测。 3 观测结果 31 顶板压力观测结果 实测结果显示,8102工作面从开采到结束累 计来压 78次,顶煤的初次垮落步距为 18 20 m, 顶板初次来压距离为 34 36 m,工作面正常推进 时周期来压步距为 16 18 m;推进速度缓慢时, 周期来压步距缩短为 10 12 m,平均来压步距 16 m。来压期间,支架最大工作阻力 10 499 kN,平 均工作阻力 8 507 9 352 kN,达到支架额定工作 阻力的 85 94 。来压动载系数为 13 16 , 来压持续时间 30 h, 影响围范 3 6 m。支架阻力 曲线如图 1所示。 图 154号、 64号支架阻力曲线 32 活柱下缩量观测 根据现场实测结果,支架活柱循环内下缩量为 20 60 mm, 后柱下缩量明显高于前柱,当工作面 推进不正常或停产时间长时,前后立柱阻力急增, 安全阀开启, 小时内活柱下缩量最大达 320 mm。 33 巷道矿压观测结果 8102工作面开采期间,巷道超前单体液压支 柱阻力变化很小, 未出现大的增阻现象,顶底板移 近量不大于 10 mm,巷道变形很小。 34 电视钻孔观测结果 通过观测,在 24 m 处,顶板开始产生裂隙, 超前 20 m 时顶板产生水平裂隙, 高度 40 50 m; 超前 15 m时,钻孔有进风现象,说明裂隙发展增 大, 与工作面采空区沟通; 超前 5 m时,顶板产生 水平错动,高度达到 80 m;接近工作面位置时, 顶板产生离层错动,且有折断现象。 35 微地震观测结果 工作面回采以来发生多次强地震事件,震级 里氏 为 - 2 - 1级,大部分岩体破裂发生在工 作面的前方。监测到的数据与工作面的来压时间提 前 1 2 d ,发生高度为 60 70m 图 2。 4 采场矿压显现规律分析 1 通过 8102工作面支架阻力观测分析可知, 工作面顶板来压显现明显, 初次来压步距较大, 为 36 m, 基本顶周期来压步距平均 16 m。由于工作 面采放厚度大,采放比为 14 ,采空区顶板活动层 9 2008年第 1期煤 炭 科 学 技 术第 36卷 图 2 微地震发生频率与时间、推进位置关系 位高,来压强度较大, 支架安全阀开启次数频繁, 达到额定工作阻力的 85 92 。 2 顶板未出现冲击来压现象,顶板超前煤壁 3 5 m 产生断裂, 以缓慢的回转运动为主。当工 作面具有合理的推进速度 40 m /d 时,顶板 运动向采空区方向缓慢下沉,循环内活柱下缩量为 20 60 mm, 后柱阻力明显高于前柱, 来压步距为 16 18 m;当工作面推进不正常或停产时间长时, 顶板一般向煤壁方向回转下沉, 造成机道顶板台阶 下沉,支架阻力急增, 安全阀开启,小时内活柱下 缩量最大达 320 mm, 来压步距 9 12 m,显现为 工作面整体来压。为此,保证工作面的合理推进速 度对顶板管理极为有利,根据现场的实际观测, 工 作面的推进速度不低于 40 m /d 。 3 工作面来压时基本上是中部先来压,然后 向两边扩展; 如果头尾不平行推进,则靠超前一侧 的中部先来压,后向两边扩展, 显现出分段来压的 特点。工作面中部压力较大,有时出现连续的来压 现象,工作面上下端头两个区域来压显现不明显, 与工作面周边为实煤区有很大关系。 4 来压时煤壁片帮较大,最大深度达 10 m 以上,造成支架端面距增加,控顶距增大, 机道顶 煤形成破碎漏冒区,使支架接顶状况差,不能充分 发挥支架初撑力对顶板的支护作用,是造成工作面 顶板出现台阶下沉、压死支架的一个主要原因。 5 推进速度与支架活柱下缩量的关系日进 度大于 40m, 活柱下缩量为 10 60 mm /h ,日推 进度小于 20 m 时,活柱下缩量 100 300 mm /h。 当活柱行程剩余 200 mm 时,支架工作状态最差, 极易压坏立柱。 6 工作面推进过程中揭露多条小断层及侵入 体构造, 使煤层节理、裂隙发育, 煤层松软,在破 碎区发生机道漏顶,冒落高度在 20m左右,最高 见火成岩顶板,造成支架不接顶, 给顶板管理造成 一定影响。 7 为了改变工作面顶板的应力状况,使工作 面上覆顶板岩层及早形成平衡结构,减小工作面的 来压强度。开采过程中在第 30- 40号架、 85- 95 号架不放煤留条带,增加了采空区的垫层。但由于 工作面顶煤已相当破碎,在支架推进过程即使不放 煤顶煤, 也会自然进入后部输送机运出, 据观测, 垫层的留设不改变顶板的来压状态。 5 存在问题和建议 通过 8102工作面的观测,基本掌握了工作面 顶板的矿压显现规律, 但在工作面开采过程中, 出 现了多次顶板来压下沉压架事故, 在顶板控制技术 上还存在一些问题。 1 特厚煤层综放工作面顶板运移规律的研 究分析。8102工作面采放高度达到 25 m,采放 高度大, 虽然对覆岩运动规律进行了预测分析, 但现场生产条件变化复杂,需要采取先进的手段 对覆岩运动规律进行实验室模拟和现场观测,科 学指导生产实践。 2 支架选型与围岩的作用关系研究。 8102 工作面选用的支架阻力为 10MN,是国内支架阻 力最高的架型。但在开采过程中,多次发生顶板 下沉压架事故,支架安全阀开启频繁,开启率达 到支架总数的 50 以上。为此需进一步研究特厚 煤层大采放条件下支架选型与围岩作用关系,保 证采场的安全。 3 坚硬顶板的处理技术。塔山矿 8102工作 面顶板岩性变化大,在上位顶板岩层中发育有厚 层整体砂岩顶板,在采空区极有可能形成悬顶, 对工作面支架压架及采空区瓦斯的压出构成威 胁。 参考文献 [ 1] 张宝明, 陈炎光, 徐永圻 中国煤矿高产高效技术[M ]. 徐州 中国矿业大学出版社,2001. [ 2] 耿献文, 马全礼, 刘桂仁,等 矿山压力测控技术[M ]. 徐州 中国矿业大学出版社,2002. 作者简介吴永平 1959- ,男, 山西怀仁人, 高级工程 师, 山西省学术技术带头人, 长期从事煤矿生产管理和开采技术研 究工作, 现任大同煤矿集团有限责任公司总经理。 收稿日期2007- 09- 18; 责任编辑 曾康生 10