深部开采矿井矿压异常显现研究.pdf

第3 9 卷第6 期 2 0 1 1年 6月 煤 炭 科 学 技 术 C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Vo 1 ． 3 9 N o ． 6 J u n e 2 0 1 1 深部开 采矿 井矿压异 常显现研 究 王应启，陈 勇，郑有雷，桂兵，王志峰 兖州煤业股份有 限公 司 济宁三号煤矿 ，山东 济宁2 7 2 0 0 0 摘 要为了研究济三煤矿6 3 0 4工作面在回采过程中的矿压异常显现现象，在矿压观测的基础上， 通过理论分析和研究的方法，掌握了该工作面矿压异常显现特征。指出了该工作面矿压异常显现区 域 ，基本顶垮落步距、煤厚、辅助运输巷沿空留巷 、断层、富水顶板 、开采深度是该工作面发生矿 压异常显现的主要原因。工作面加快工作面推进速度、支架初撑力不低于3 3 8 9 k N可以有效确保 深部开采矿压异常区域 的安全生产。 ． 关键词 深部开采；矿压观测；矿压异常显现 ；显现特征 ；异常区域 中图分类号 T D 3 2 3 文献标志码 A 文章编号0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 1 1 0 6 - 0 0 1 5 0 3 S t u dy o n Abn o r m a l M i n e S t r a t a Pr e s s ur e Be ha v i o r Dur i n g De e p M i ni n g W ANG Yi n g q i ，CHEN Yo n g，Z HENG Yo u l e i ，GUI Bi n g，W ANG Zh i f e n g 0 n Mi n e ，Y a n z h o u C o a l Mi n i n g G r o u p C o r p o r a t i o n L t d ． ， J i n i n g 2 7 2 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s t u d y t h e a b n o r ma l p h e n o me n o n o f t h e mi n e s t r a t a p r e s s u r e b e h a v i o r o c c u r r e d f r o m t h e mi n i n g p r o c e s s o f No ． 6 3 0 4 c o al mi n i n g f a c e i n J i s a n Mi n e ，b a s e d o n t h e o b s e r v a t i o n o f t h e mi n e p r e s s u r e s ，w i t h t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s an d t h e s t u d y me t h o d ，t h e mi n e p r e s s u r e a b n o rm al b e h a v i o r f e a t u r e s o f t h e c o a l mi n i n g f a c e w a s u n d e r s t o o d ．T h e p a p e r p o i n t e d o u t t h a t t h e mi n e a b n o rm a l b e h a v i o r a r e a s o f t h e c o al mi n i n g f a c e ，t h e ma i n r o o f c a v i o g s t e p d i s t an c e ，s e a m t h i c k n e s s ，g a t e wa y r e t a i n e d alo n g g o a f f o r t h e a u x i l i a r y t r a n s p o r t a t i o n g a t e w a y，f a u l t ，wa t e r y r o o f a n d mi n i n g d e p t h w o u l d b e t h e ma i n f a c t o rs o f t h e mi n e p r e s s u r e a b n o rm al b e h a v i o r s o c c u rre d i n t h e c o a l mi n i n g f a c e ．Th e f a s t a d v a n c i n g s p e e d o f t h e c o a l mi n i n g f a c e a n d t h e i n i t i a l s u p p o f o r c e o f t h e p o w e r e d s u p p o n o t l e s s t h a n 3 3 8 9 k N c o u l d b e e f f e c t i v e t o e n s u r e t h e s a f e t y p r o d u c t i o n i n t h e mi n e p r e s s u r e a b n o rm a l a r e a o f d e e p mi n e ． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g；mi n e p r e s s u r e o b s e rva t i o n；a b n o rm al mi n e s t r a t a p r e s s u r e b e h a v i o r ；s t r a t a p r e s s u r e b e h a v i o r f e a t u r e s ； a b n o r - mal r e g i o n 1工作面概 况 济三煤矿 6 3 04 综放工作面位于六采区中部， 面长 2 1 7 ． 5 m，工作面推进长度 1 8 2 0 n l ，埋藏 深 度6 6 0 ～ 6 8 7 m，煤层平均厚度6 ． 8 In ，倾角0 8 。 。 煤层直接顶为粉砂岩 ，厚度 3～1 1 In，基本顶厚度 2 43 4 m，按岩性细分至少 2层 ，下位岩层 中细砂 岩 ，厚度 1 7～2 4 In；上位岩层粗 砂岩 ，厚度 8 In 以上，工作面内构造发育，落差小于5 m的正断层 有 5 条 ，主要含水层为煤层顶部砂岩，平均厚度 2 6 ． 6 1 In，富水 性好 。工 作 面支 护选 用 Z F S 6 2 0 0 ／ 1 8 ／ 3 5 C 型低位放顶煤支架， 共安装 1 4 4架。 2 工作面初次来压特征及矿压异常原因 2 ． 1 矿压异常来压特征 当工作面推进 5 1 In时 ，基本顶初次来压 ，来 压步距为 5 8 ． 5 In。初次来 压期 间，没有造成大 的 冒顶和压死支架现象 ，矿压显现不强烈。 当工作面推进了7 7 ． 1 m时，即在 3月 8日早 班生产过程中，支架压力增大 ，支撑高度下降，立 柱安全阀大量开启 。中班接班后 ，采煤机从 6 7号 架朝运输巷方 向割煤 到 4 8号架时 出现大面积强烈 来压 ，支架立柱突发性大幅度卸压下缩 ，顶板沿工 作面煤壁发 生台阶下沉。这 次来 压造成第 2 5 5 号架后立柱压死 ，第 2 5 8 0号架 间工作面顶煤沿 煤壁竖向断裂，其中第 2 5 5 0 号架、第 6 0 7 2 号 架范围内顶煤 破碎严重 ，但 未发现煤壁 大的片帮 现象 。 在处理压死支架、恢复生产过程中，发现第 2 6 _ _ 4 3号支架 Y型四连杆 前连杆 有不 同程度 的损坏， 第 2 9 _3 7号支架顶梁的后立柱窝焊缝开 裂、柱端脱位。 1 5 2 0 1 1 年第6 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 9 卷 2 ． 2矿压异常原因分析 1 随着开采范围的增加，加大了上覆岩层的 活动范围和顶板剧烈运动的程度。按 “ 传递岩梁” 理论及该工作面的岩层特征 ，分析认为基本顶垮落 至少形成 2个传 递岩梁 J 。第 1岩梁 为 中细砂 岩，厚度 l 7～2 4 m，岩石强度高，来压步距大； 第 2 岩梁为粗砂岩，厚度 8 m以上，岩石强度比中 细砂岩更高，来压步距更大。工作面基本顶第一岩 梁离层垮落 ，形成了该工作 面的初次来压，来压步 距 5 8 ． 5 1 1 “1 ，即推进距离 5 1 ． m与切眼宽度之和 。随 着工作面推进 ，并 出现了第 1 次周期来压 ，来压步 距约 l 9 ． 5 r n ，仍然是第 1岩梁 的运动结果。当工 作面推到 7 7 ． 1 m时 ，第 1岩梁还未达到第 2次周 期来压步距 ，但 基本顶 的第 2岩梁跨度 已达到极 限，并迅速发生断裂 ，迫使第 1岩梁提前折断 。这 次基本顶来压 的垮落厚度增 大，第 2岩 梁跨度较 长 ，且是初垮 ，因此造成工作面顶板大幅度下沉 ， 产生大面积更 强烈 的来压 。由于粗砂岩 的强度较 高，使第 2 岩梁初次来压步距接近8 0 m 推进距 离 7 2 ． 1 m加切眼宽度 。 2 顶煤越厚上覆顶板岩层在工作面煤壁前方 的断裂位置越远 ，上覆各岩层顶板 因岩性 、厚度和 离煤层的距离不同，其断裂位置不同。根据现场观 察和支架受力数值分析 ， 6 3 0 4工作面直接顶的断裂 位置在煤壁前方 2～ 4 m处 ，基本顶第 1 岩梁在煤 壁前方 4～ 6／ 1 1 处 ，第 2岩梁在 8～1 0 m。基本顶 的运动是通过 7 m厚顶煤和 3 m多厚的直接顶作 “ 垫层”显现在工作面上 ，由于 “ 垫层 ”的刚度低 厚度大且强度小 ，因此通常矿压显现不明显。在 工作面基本顶第 2岩梁初次断裂 、垮落时 ，迫使下 位岩层折断 、下沉 ，将出现煤层和岩层急剧弹性压 缩 。在上覆断裂岩层较大垂直压应力作用下 ，工作 面支架 的支护强度达到最大值后 ，已支撑不住上覆 岩层的强力作用 ，使立柱急剧下缩 ，顶煤沿工作面 煤壁断裂下沉，此时工作面上方的顶煤和直接顶重 量完全 由支架支撑 ，造成部分支架压死 。由于顶煤 厚 、强度低 ，弹性变形能力大 ，在急剧垂直压应力 作用下，顶煤体在煤壁处断裂、整体下沉，煤壁完 整性不会受到明显破坏，仅顶煤局部地段被压酥。 3 工作面辅助运输巷为沿空 留巷 ，受采空区 基本顶垮落岩梁的影响，形成了走向超前支承压力 和相邻采空区的侧向支承压力相互叠加 ，超前支承 1 6 压力急剧增大 ，尤其是工作面两端与巷道的拐角附 近压力更加突出。较大的支承压力对于无支护的巷 道底板和支护强度较弱的煤帮影响较大 ，因此巷道 底板鼓起 、巷道两帮变形明显 ，矿压显现突出。 3 工作面初次见方矿压异常原因及分析 3 ． 1 异常来压特征 工作面推至 2 1 7 m时 ，基本顶进人工作面初次 见方阶段 ，工作面局部出现 了较为剧烈 的矿压异常 显现 ，工作面中部 7组液压支架被压死 ，整个工作 面煤壁片帮都非常突 出，顶板 出现大面积来水 现 象 ，严重制约了工作面恢复进度 J 。 3 ． 2 矿压异常原 因分析 1 工作面进入初次见方阶段后，该区域的矿 山压力出现集 中，基本顶裂隙发育破碎 ，加之由于 工作面局部遇到断层 ，受断层的影响 ，造成基本顶 来压时断裂面 由煤壁前后移到煤壁上方 ，本应由煤 壁为主支撑 的顶板压力转变为主要 由支架支撑 。该 工作面岩层较厚且整体性较好 ，这就使得基本顶易 产生大面积悬顶 ，当悬顶长度达到极限断裂时，尤 其见方期间顶板应力集中更加突出，工作面来压显 现异常强烈。 2 工作面来压期 间正在过一条正断层 ，并且 断层面的方 向和工作面推进方向一致 ，这样基本顶 发生断裂旋转时，失去了传递岩粱的作用力 ，从而 在断面上也就无阻止基本顶下沉 的摩擦力 ，基本顶 沿断层面断裂并极易 出现滑落失稳 和台阶下沉现 象 ，那么在支架上的矿压显现就异常剧烈。沿 工作面方向来看 ，由于断层 的存在 ，使得上覆岩梁 由三方简支和一方 自由的状态 ，变为两方简支和两 方 自由的状态。从而改变了岩梁的整体结构 ，岩梁 沿断层面下沉断裂 ，在工作面和后方的采空区出现 了台阶下沉现象 ，造成工作 面部分支架压力集 中。 6 3 0 4工作面矿压显现异常就是从 顶板初次见方阶 段断层面发生的。如图 1 所示。 图1 6 3 0 4综放工作面顶板来压断裂示意 王应启等 深部开采矿井矿压异常显现研究 2 0 1 1年第6期 3 该工作面岩层较厚且整体性较好 ，使得基 本顶易产生大面积悬顶 ，当悬顶长度达到初次见方 阶段出现极 限断裂时 ，工作面来压显现异常强烈 。 4 顶板砂岩含水丰富，赋水面积大。当采动 裂隙达到含水层富水区段时 ，顶板水便 由采动裂隙 下泄至回采工作面。赋水区的水压增大了基本顶来 压的强度。 5 开采煤层厚度的影响工作面来压时所处煤 层厚度为 7 ． 2 6 m，放煤后直接顶不能充满采空区， 形成 的采空区 自由空间较大 ，使大面积悬露的基本 顶 ，在垮落时形成冲击压力。 6 深部开采。开采深度增大，加剧了来压显 现程度 。 ． 4 其余推进阶段工作面矿压异常显现 工作面进入 中间见方 、末次见方及周期来压期 间 ；工作面均出现不 同程度的矿压异常显现 ，尤其 辅助运输巷收缩量较为突出。辅助运输巷两帮收缩 量达 1 ． 7 m，顶底板收缩量达 1 ． 3 m，局部净宽不 足 2 ． 7 m，净高不足 1 ． 6 m。严重影响了安全生产。 如图 2所示。 6 0 0 g 5 0 0 4 0 0 黜 1 O O O 至煤壁 距离／ m 图 2 辅助运 输巷 变形 度 5 结 论 由上述可知 ，该工作面异常来压位置分别为工 作面初次见方 、周期来压 、中间见方 、末次见方阶 段。为此根据工作面地质条件及生产技术条件提出 如下 6点建议。 1 加强矿压观测，搞好工作面来压预测预报 工作 。对开采强度大 、埋藏深 、地质构造复杂的工 作面，要在坚持常规矿压观测的基础上，推广应用 先进的矿压观测仪器仪表，捕捉矿压异常现象，指 导现场的安全生产 。 2 搞好地质预测预报工作。对地质构造的变 异区、断层等构造应力集中区，应超前做好预报 工作 。 3 当工作面出现矿压显现异常现象时 ，应及 时采取有效措施 ，加快工作面推进速度 ，尽快摆脱 压力集 中区。 4 当工作面出现矿压显现异常 、支架活柱缩 量明显增大时 ，不能 冒然缩立柱机械加长段 ，如果 必须进行 ，应使用单体液压支柱配合支护。 5 加强设备维修保养工作，保持支架完好状 态，支架初撑力不得低于3 3 8 9 k N ，始终使支架处 于 良好支护状态。合理进行支架选型，选择支护强 度较高的液压支架且支架选型时可考虑采用双伸缩 立柱 。 6 由于巷 道 围岩变形 已严 重影 响到安全生 产 ，巷道 围岩空问已不能满足安全生产的需要 ，建 议今后孤岛工作面巷道设计为梯形断面或者扩大巷 道设计宽度和高度 ，由净宽 4 ． 3 m变更 为 4 ． 7 m， 净高 2 ． 8 m变更为 3 ． 2 m，以提前设计 出回采期间 的让压变形空间。 参 考文献 [ 1 ] 宋振骐 ．实用矿 山压力控制 [ M] ．徐州 中国矿业大学出版 社 ，1 9 9 84 1 7 8 ． [ 2 ] 钱呜高 ，刘听成 ．矿 山压力及其 控制 [ M] ．北京 煤炭工 业出版社 ， 1 9 8 4 3 2 8 7 ． [ 3 ] 姜福兴 ．基本 顶的基本 结构形式 [ J ] ．岩石 力学 与工程 学 报 ，1 9 9 3 ，1 2 4 3 6 6 3 7 9 ． [ 4] 李光 ，翟新献 ，李永 明 ．济三 煤矿沿 空巷 道冲击 矿压成 因探讨 [ J ] ．煤炭科学技术 ，2 0 0 7， 3 5 1 8 8 9 0 ． [ 5 ] 负东风，王晨阳，周 颖，等 ．深部开采综采工作面矿压 显 现规律研究 [ J ] ．煤炭工程 ，2 0 1 0 5 5 2 5 4 ． [ 6 ] 谢道刚 ．深矿井巷道矿压显现及控制 [ J ] ．煤炭技术， 2 0 0 8 ，2 7 9 8 6 8 7 ． [ 7 ] 孟宪锐 ，问荣峰，刘节影，等 ．千米深井大倾角煤层综放 采 场矿 压 显 现 实 测研 究 [ J ] ．煤 炭 科 学 技 术 ，2 0 0 7，3 5 1 1 1 4 1 7，2 1 ． [ 8 ] 张智 慧 ，潘 一 山 ，阎海 鹏 ，等 ．矿 井 深 部矿 压 特 征分 析 [ J ] ．煤炭科技 ，2 0 0 7 4 8 1 O ． [ 9 ] 李刚 ．大采 深综采 工作 面矿 压规 律 的观 测 与分析 [ J ] ． 煤炭科技 ，2 0 1 0 2 8 6 8 7 ． 作者简介王应启 1 9 7 7 一 ，男，山东邹城人 ，现在兖矿集 团济宁三号煤矿从事矿压监测及 中 击地压防治技术管理工作。T e 1 1 5 8 6 5 7 0 7 0 5 7， E- ma i l w a n g y i n g q i 7 79 6 1 6 3 ． t o m 收稿 日期2 0 1 1 0 2 1 5 ；责任编辑曾康生 1 7