深部开采综采工作面矿压显现规律研究.pdf

煤炭工程 2 0 1 0年第5期 深部开采综采工作 面矿压显现规律研 究 负东风 ，王晨阳 ，周 颖 ，辛亚军 ，苏普正 ，李 1 ．西安科技大学 能源学院，陕西 西安7 1 0 0 5 4； 2 ．西安科技大学 能源学院教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 3 ．内蒙古伊泰集团 红庆河煤矿，内蒙古 鄂尔多斯0 1 7 0 0 0 摘要 以内蒙古新街矿 区红庆河煤矿为地质原型 ，通过相似模拟 实验观测和数据分析 ，揭 示深部开采扰动影响的 “ 三带”特征及分布规律、工作面矿压显现规律及 支架的工作 阻力，为研 究深埋煤层开采的矿压规律提供 了一定科学依据 。 关键词 深部开采；矿压显现规律 ；相似模拟实验；覆岩运移 中图分类号 T D 3 2 5 ． 1 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 0 0 5 - 0 0 5 2 3 1概述 随着开采 深 度增 加 ，深 部 开 采 矿 山压 力 显 现 愈 加 明 显 J 。目前 ，我 国对于矿 压规律 研究 的方 法主要 采用 的手 段之一是实测，但受现场生产条件的影响，所得资料有一 定局限性。有限元数值解析等数值模拟的方法不受现场条 件约束 ，计算过程严谨，速度快 ，但是对于非线性、大变 形、非连续介质方面的模拟，由于在岩体物理属性的决定、 参数的选择上尚有困难 ，其结果往往具有一定的局限性 。 而对于开采 后上 覆岩层 运动 、变 化、破坏 规律 的研究 ，尤 其对涉及弹塑性、破碎、垮落以及多种物理力学过程的岩 体 力学 问题 ，在 以定 性为 主要 目标 的研 究 中，利 用相似 材 料模拟往往是比较有效的。所得结果可以作为现场实测研 究和数据方法分析设计研究的基础 。 用相似模型实验方法研究深部开采矿压显现规律是一 种有效的方法，其实质就是用与原型物理力学性质相似的 人工材料按几何相似常数缩制成模型，在保证模型与原型 初始状态和边界条件相似的情况下，通过对模型进行模拟 开挖，来观测模型采空区上方的顶板覆岩的移动规律、竖 向三带的特征，计算和反推实际原型条件下开采时顶板移 动规律、支承压力分布规律，为现场决策提供依据。 2地质赋存环境与开采技术条件 实验以内蒙古新街矿区红庆河煤矿 3 煤层为背景设计 物理模 型 。根 据 钻孔 资 料 ，该 煤 层 地 层 赋存 深 度 5 8 3 8 6 1 m，平 均 7 1 8 ． 6 m；煤 层厚 度 0 ． 5～1 0 m，平 均 厚 度 6 ． 2 3 m，倾角 1 。 ～2 。 ；煤层赋存稳定 ，褶曲断层不发育，地 质构造简单，不含夹矸。 3 模型设计 3 ． 1 模 型参 数选取 5 2 此次实验选用西安科技大学能源学院教育部西部矿井 开采及灾害防治重点实验室相似模拟试验架，几何尺寸为 3 0 0 0 m m 长 2 0 0 mm 宽 1 4 5 0 m m 高 。取 实验模 型 的 几何相似常数 1 o 0，角度相似常数 1 。根据相似原 理 ，确定其他相似常数 J ，即容重相似常数 1 ． 6 7 ，时 间相似常数 o 1 0 ． 0 ，应力相似常数 口 仃1 6 6 ． 6 7 。因模型 架高度有限，采用铁砖加载至5 t 模拟上覆岩层重量。 3 ． 2测 点的布 置及观 测方 法 3 ． 2 ． 1 位移测点布置 实验在上覆 岩 层表 面共 布 置有 1 5 6个 观测 点 ，如 图 1 所示 。其 中布 置 8排 位 移测 点 ，顶板 上 方 2 c m开 始 布置 ， 第一至第 四排 测 点 间距 1 0 c m，第 五 至 第 八 排 测 点 间 距 2 0 e ra。观测采用 P E N T A X R一 3 2 2 N X全站仪。 图1 位移测点布置图 i n l lr1 3 ． 2 ． 2 压力传感器布置 实验采用测力传感器模拟工作面支架，布置在模型两 侧 ，监测采场顶底板、采空区的顶板载荷变化情况。数据 采集系统采用 1 0 8路压力计算机数据采集系统。 3 ． 3 支架模拟 实验工作面布置 4副支架传感器 ，模型两侧各布置两 收稿 日期 2 0 0 91 1 3 0 作者简介负东风 1 9 6 2一 ，男 ，陕西西安人 ，教授，主要从事大倾角煤层走向长壁综采工作面系统参数优化研究。 M 2 0 1 0年第 5期 煤炭工程 架，架间距 2 e m，空顶距 3 e m，如图2 a 、 b 所示。模型 工作 面宽度 2 0 e m，模拟实际距离 2 0 m，架间距取 1 ． 5 m，需 要 1 3架。模型工作面共用支架四副，两侧各布置两架，控 a 实验支架布置 侧视 图 b 实验支架布置俯视 图 根据相似理论 d 实 P 实 际， d 模 拟 } c P实际 盟 n P 模拟 ，模 型 式中Y 原 岩一原 岩容重 ，取 2 ． 51 0 k g ／ m ； Y 模 型一模型容重，取 1 ． 51 0 k m ； n一几何比 1 1 0 0 ，体积比 1 1 0 。 ； 顶距 9 e m，则模型中一侧两架相当于实际中 1 3 ／ 2 6 ． 5 ，取 6 ，如图2 C 、 d 所示。具体转换过程如下 4 ． 5 m ． ．0 ． 7 m ’ ∥ 1 5 ．2 m I c 实际支架布置侧视 图 I l 一 一 ⋯⋯ l I l l I 宣 l 0 l J l l ， ， l d 实际支架布置俯视图 图 2 模 拟支架布置方式 P 模 拟，有 的控 顶距 ，取 5 ． 2 m。 1 4实 验结 果分 析 一 ￡实验 模拟 一 式中P 验 一实验用支架传感器工作阻力，取 2 ． 2 6 k N； ， J 实 验 一实验用支架传感器控顶距，取 9 e m； JP 模 一实 际用 支 架工 作 阻 力 按 照 1 1 0 0的相 似 比 ， 模型的工作阻力 ，k N； 模 拟 一实 际用 支架 控顶距 按照 l 1 0 H D的相似 比 ，模 型 4 ． 1 上覆岩层运移特征 实验开采煤层厚为 3 m，煤层采出后 ，上覆岩层从采 空区顶板开始 ，自下 而上依次 出现 冒落、断裂、离层、 弯曲的地层移动形式 。当工作面推进后 ，地层 的移动并 未波及地面 ，未引起地表下沉 ，这与榆神矿 区浅埋煤层 开采有本质的区别。图 3是采煤结束后 ，位移测点处覆 岩的水平与竖直位移变化图。采动影响范围 6 1 m，垮落 岩块转动 、翻滚 ，水平位移比较杂乱 ，而竖直位移规律 明显 ，从 下 向上 位移 量逐 渐减 小 ，直 至第 五 层 点 没 有 影 响变 化 。 a 位移测点水平方rⅡ J 位移变化曲线 b 位移测点竖直方向位移变化曲线 图 3测点 位移变化 曲线 煤层开采后 ，在采空区上方形成冒落带、裂隙带与弯 沉带。三带高度分别为 1 4 m，2 7 m，2 0 m。冒落带破坏岩块 大小 不一，不 规则 ，老 顶垮 落后 ，其 下 沉量 较 大，达 2 ． 9 1 m；裂隙带沿层面产生许多裂隙，且裂隙随着工作面的 推进越来越发育，在不同岩性的接触面上 ，裂缝较多且连 通性好；弯曲下沉带岩层发生整体移动，岩层内产生较小、 数量较少的裂缝 ，连通性不好。 4 ． 2支架 工作 阻 力 5 3 煤炭工程 2 0 1 0年第 5期 工作面推进至 7 4 ． 3 m，基本顶初次来压 ，测力支架传 感器工作阻力开始增加 ，峰值 6 8 0 0 k N；煤壁向外鼓出，并 伴有片帮、顶板断裂现象。工作面推进至 9 1 ． 1 m，基本顶 第一次周期来压，支架工作阻力达到峰值，顶板断裂、片 帮严重。随着工作面推进，具体来压特征及工作面支架传 感器工作阻力变化曲线见图4所示。适当提高支护阻力可 以控制顶板裂隙和错动的发展，考虑到实际中应留有 1 0 ％ 的富裕量，则 P 宴 取7 5 0 0 k N以上。 圣 甚 若 板 支架工作阻力随着工作面推进变化曲线 工作面推进距离 ／ m 4 ． 3 采动 影响矿 压 显现规 律 a I作面推进距离为4 3 ， 2 m 采场矿压显现情况 图 4 支架传感器工作阻力变化 曲线 b I作面推进距离为7 4 ． 3 m 采场矿压照现情况 图 5 随着工作面推进采场矿压显现情 况 工作面推进 4 3 ． 2 m，直接顶发生初次垮落，如图5 a 所示，垮落长度 4 6 m，冒落高度 3 m，垮落角度 7 1 ． 5 。 。垮 落岩层除开切眼附近较为破碎外 ，其他位置均较为完整。 工作面推进 7 4 ． 3 m，基本顶发生初次来压，见图 5 b 所示 ，初次来压步距 7 4 ． 3 m，垮 落长度 7 6 m，垮 落高度 2 4 m，垮落角度 6 5 。 。由于上位岩层较厚 ，而且强度较大 ， 形成 自承能力较强的简支梁 ，载荷主要传递给两侧的煤岩 柱 ，只有部分传递给工作面后方的覆岩。因此冒落岩体充 分垮落，上位岩层则铰接或搭接 ，垮落并不充分。 工作面推进 9 1 ． 1 m，基本顶发生第一次周期来压，如 图5 c 所示 ，来压步距 1 6 ． 8 m，垮落长度 9 1 m，垮落高度 3 9 m，垮落角度 6 7 。 。上覆岩层垮落较为充分，垮落范围明 显大于前几次来压。 5 结论 1 3 煤层开采结束后，形成 冒落带、断裂带和弯曲 下沉带，其高度分别为 1 4 m，2 7 m，2 0 m。 2 初次来压步距 7 4 m，来压主要特征是工作面顶板在 支架后方沿全厚切断、冒落 ，形成 台阶下沉 ，来压猛烈。 5 4 c 江 作面推进距离为9 】 ． 】 m 采场矿压显现情况 周期来压步距 1 0 ． 0～ 1 6 ． 0 m，来压历时短，支架动载明显。 3 工作面支架工 作阻力 7 5 0 0 k N以上 ，支架 工作 阻力 分别在初次来压、第一次周期来压时达到峰值，顶板断裂 位置在支架后方说明支架工作阻力是足够的。 参考文献 [ 1 ] 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 ． [ 2 ] 王崇革 ，王莉莉 ，宋 振骐 ，等．浅埋 煤层开 采三 围相似 材 料模拟实验研究 [ J ] ．岩石力 学与工程学报 ，2 0 0 4，2 3 增 24 9 2 6～49 2 9． [ 3 ] 柴敬．浅埋煤层 开采的大 比例立 体模拟研 究 [ J ] ．煤 炭学 报 ，1 9 9 8，2 0 1 3 9 1～3 9 5 ． [ 4 ] 高明中．急倾斜煤层开采岩移基本规律的模型试验 [ J ] ， 岩石力学与工程学报 ，2 O o 4 ，2 3 2 4 4 1 4 4 5 ． [ 5 ] 李仲奎．大型地下硐 室群 三维地 质 力学模 型试 验中 隐蔽开 挖模拟系 统 的研 究 和 设 计 [ J ] ．岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ， 2 0 0 4，2 3 2 1 8 1 ～1 8 6 ． [ 6 ] 林韵梅．实验岩石力学模拟研究 [ M] ．北京 煤 炭工业 出 版社，1 9 8 4 ． 责任编辑李泽荃 如∞∞∞如∞如∞∞∞如0 ∞ ”如