深部大采高超长工作面矿压显现特征研究.pdf

第3 8 卷第 1 1 期 2 0 1 5年 1 1月 煤 炭 与 化 工 C o a l a n d C h e m i c a l I n d u s t r y V0 1 ．38 No ． 1 1 NO V ． 2 0 1 5 深部大采高 超长工作面矿压显现特征研究 唐永志 ，张学亮 ，李俊斌 ，李 群 ，韩先进 ，张敏 ，张 浩 1 ． 淮南矿业 集团有限责任公司，安徽淮南 2 3 2 0 0 1 ；2 ． 天地科技股份有限公司开采设计事业部 ， 北京 1 0 0 0 1 3 摘 要基于深部大采高超长工作面回采实际情况，采用理论分析、数值模拟和现场实测相结 合的方法，对谢桥煤矿 3 6 2 ．9 m超长工作面矿压显现特征进行分析。结果表明工作面初次来 压步距 3 9 ． 5 6 m，周期来压步距 l 2 ． 4 8 m，与理论分析接近 ；来压期间，工作面倾 向压力分布呈 现 “ 两片” 、 “ 三段三峰值”特征，并分析 了其产生的原因。研究对类似条件下工作面回采具 有借鉴意义。 关键词超长工作面；大采高综采；深部开采；矿压显现特征 中图分类号 T D 3 2 3 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 5 9 7 9 2 0 1 5 1 1 - 0 0 1 0 0 4 S t u d y o n De e p La r g e M i n i n g He i g h t S u p e r Lo n g W o r k i n g Fa c e S t r a t a Be ha v i o r Fe a t u r e s T A N G Y o n g - z h i ， Z HA N G X u e - l i a n g 2 ， L I J u n - b i n ， L I Q u n ， H A N X i a n - j i n ， ZHANG Mi n ．ZHANG Ha o ． Hu a i n a nMi n i n gI n d u s t r yG r o u p C o r p o r a t i o nL t d ． ， Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a ； 2 C o a l Mi n i n g D e s i g n i ng D e p a r t me n t , T i a n d i S c ie n c e T e c h n o l o g y L t c L ， B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n a c t u al r e c o v e r y o f d e e p l a r g e mi n i n g h e i g h t s u p e r l o n g wo r k i n g f a c e ，t h e o ry a n a l y s i s c o mb i n e d wi th n u me r i c al s i mu l a t i o n an d me a s u r e me n t o n s i t e ， 3 6 2 ． 9 m l o n g wo r k i n g f a c e s t r a ta b e h a v i o r f e a t u r e s o f Xi e q i a o Mi n e wa s a n al y z e d ． T h e r e s u l t s h o w e d tha t fi r s t w e i g h ti n g i n t e r v al W as 3 9 ． 5 6 m， p e ri o d i c w e i ght i n g l e n g t h 1 2 ．4 8 m， c l o s e t o th e o ry an a l y s i s ， d u ri n g the p r e s s u r e ， t e n d e n c y p r e s s u r e o f w o r k i n g f a c e a p p e are d wi th t w o p i e c e s ， thr e e p e rio d wi th t h r e e p e a k s ， an d the r e a s o n w a s a n aly z e d ， w h i c h p r o v i d e d r e f e r e n c e f o r s i mi l a r c o n d i ti o n o f wo r k i n g f a c e r e c o v e r y ． K e y wo r d ss u p e r l o n g wo r k i n g f a c e ； l a r g e mi n i n g h e i g h t f u ll y me c h a n i z e d mi n i n g ； d e e p mi n i n g ； s t r a t a b e h a v i o r f e a t u r e s 0 引 言 二十一世纪初 ，大采高综采技术取得了长足的 发展，部分条件好的矿井综采工作面长度逐步达到 3 0 0 m以上，国内外学者对大采高工作面长度【 、 深部大采高工作面开采技术等问题进行了深入的研 究 。浅部以神东矿区为代表 ，先后开采过 3 0 0 、 3 6 0 、4 0 0 ．5 in 长度的大采高综采面和4 5 0 in 长度普 通综采面 。深部大采高综采多集 中于淮南地 区， 淮南的丁集煤矿圈 、国投新集的刘庄煤矿19 ]等都进行 了深部大采高综采，国内学者对大采高综采【 01及深 部超大采高综采【11 】的关键问题与对策进行了探讨与 分析 。淮南矿区大部分煤层埋深大于 5 0 0 m，属于 深部 开采 ，淮南矿区从 2 0 1 0年在谢 桥矿采用 z Y1 0 8 O 0 ／ 3 0 ， 6 5 D型大采 高综采支架开 始 ，逐步推 广应用大采高综采技术 。为探索淮南矿区 1 3 1 煤 层埋深大、顶板为复合顶板条件下加大回采工作面 长度，减少煤柱留设，提高煤炭资源回收率，淮南 矿业集团在谢桥煤矿建成 1 2 4 2 3 大采高超长综 采工作面 ，工作面长度达到 3 6 2 ． 9 i n 。本文基于此 工作面，对其顶板的破断特征和矿压显现特征进行 研究 。 1 工作面概况 淮南矿业集团谢桥煤矿位于阜阳市颍上县，西 邻国投新集刘庄煤矿。谢桥矿 1 2 4 2 3 工作面为 收稿 日期 2 0 1 5 0 9 3 0；责任编辑 聂 明勋 基金项 目国家 自然科 学基金青 年基金 5 1 5 0 4 1 3 6 作者简介唐永志 1 9 6 2 一 ， 男 ， 安徽淮南人 ， 教授级高工，硕士。E - m a i l z h a n g 1 2 3 x p a l i y u n ． c o n l 引用格式唐永志，张学亮，李俊斌，等． 深部大采高超长工作面矿压显现特征研究【 J 】 _ 煤炭与化工， 2 0 1 5 ， 3 8 1 1 l O 一 1 3 ，1 6 1 0 唐永志等深部大采高超长工作面矿压显现特征研究 2 0 1 5 年第 1 1 期 西翼 c组采区 1 3 1 煤层四阶段 ，东起西翼 c组采 区下山，西至 F 5 1 边界断层 ，北邻 1 2 3 2 3 运 输巷 ，南至 1 3 1 煤 一 6 5 8 I 11 底板等高线。地面标 高 1 9 ． 1 2 6 ． 8 n l ，回风巷煤层底板标高为 一 5 2 4 - 3 ～ 一 5 5 9 ． 4 n l ，运输 巷煤 层底 板标 高 为 一 6 1 9 ． 3 一 一 6 5 7． 4 m 。 工作面走向长 2 9 2 3 ． 8 I n ，倾斜长 3 6 2 ． 9 I n 。回 采 1 3 1 煤，厚度平均 5 ． 1 n l ，煤层倾角平均 1 5 。。 直接顶为泥岩 、砂质泥岩、1 3 2煤及煤线复合顶 板 ，厚度 0～1 2 ． 2 m，平均厚度 8 ． 4 i n ，基本顶为细 砂岩，厚度 1 ． 8 ～1 1 ． 5 1 1 3 ． ，平均厚度 3 ． 8 m，局部直 接覆盖在 1 3 1 煤层之上。 工作面基本支架采用 Z Z 1 3 0 0 0 ／ 2 8 ／ 6 5 D型，配 套 J O Y 7 L S 6 C型采煤机、S G Z 1 0 0 0 ／ 3 1 0 0 0型刮板 输送机、S Z Z 1 2 0 0 ／ 7 0 0型转载机、P C M3 7 5型破碎 机、D S J 1 2 0 ／ 2 0 0 ／ 4 3 5 5 型胶带输送机。 2顶板破断特征研究 2 ． 1 理论分析 分析可见 ，1 3 1 煤层的顶板为典型的复合顶板 ， 煤层上方直至 8 ． 4 n a 处才有一层厚度 3 ． 8 I n的细砂 岩岩层。由于复合顶板的存在 ， 使得覆岩的破断隋 况复杂化。 复合顶板多由强度较低的岩层构成，由于煤岩 层组松软破碎且强度较低 ， 在工作面回采后 ，受自 身重力及接触面问粘结力影响，同上位岩体逐渐分 离，并在采空区破断。其特点更多的表现为先离层 后冒落。从顶板方向上看，由于顶板内部弯矩达到 极限强度 ，自下而上逐层发生破断。 若复合顶板岩层的关键层位置在上，则容易发 生上方岩层主动垮落导致的下方岩层被动垮落，一 般来说，覆岩关键层的失稳来压即为此类 冒落特 征；若复合顶板一次断裂的厚度足够大，冒落的矸 石可以充填采空区，则关键层结构发生回转失稳 ， 在采场上方形成岩层的整体下沉。 按照关键层理论分析 1 3 1 煤顶板各岩层见 表 1 。 从表中分析可见，共有 4层硬岩层为关键层 ， 1 2 4 2 3 大采高超长工作面综合柱状见表 1 。 其中自 下往上第 4 层为主关键层。煤层开采后，几 表 1工作面上覆岩层情况 个关键层从下往上逐层破断。主关键层距离煤层顶 板已经累计 4 6 ． 5 m，对采场矿压的形成仍然起主导 作用。 有学者[ 2 】采用并行电法研究了淮南潘三矿西三 上部采区 1 6 2 2 3 工作面顶板破坏分布情况 ，工 作面回采 1 3 1 煤层，煤厚 3 ． 1 ～ 5 I T I ，平均 3 ． 9 i n ， 工作面倾向长度 1 7 5 n l ，煤层倾角 2 。一 1 5 。。顶板 岩层及岩性与谢桥矿类似，实测结果表明，采场覆 岩冒落带高度为 1 0 m，导水裂缝带高度为 5 0 In ， 位于砂质泥岩层 内，推测 出的亚关键层位置在煤层 上方 6 ． 1 ～ 4 6 ． 1 m，主关键层位于煤层上方 4 6 ． 1 m以 外。该结论与所分析结论一致 根据采场矿压分析方法，采用悬臂梁力学模型 计算 4 个关键层的周期破断步距。 1 2 0 1 5 年第1 1 期 煤炭与化工 第3 8 卷 经常 出现漏碴 的现象。 2 锚网支护增强了围岩的凝聚力，提高了 围岩的整体性和强度，而且不易松动失效 ，有效解 决了架棚支护受放炮等影响背顶材料松动、接顶不 实现象 。 3 架棚支护时由于顶板极不完整 ，背顶材 料消耗较多，尤其是片帮冒顶时，均要打小木垛背 顶 ，材料消耗较为突出。 4 在巷道的弯曲和与工作面的连接处，应 该加强支护。由于下覆岩层的采动影响必然会导致 顶底板松动、破碎 ， 甚至会有较大的裂隙，特别的 采动、弯曲变形地段，不仅要用锚杆金属网，严重 的要注浆加固。 道的布置方式，需要从两个方面来考虑，即上部工 作面既要避免处于下部煤柱的应力影响区，又要尽 量不要处于煤层下沉盆地的边界。巷道布置可采用 内错式或外错式。 3利用上行开采方法晓庄矿共计采出 1 0 7 万 t ，上行开采延长了矿井服务时间 2 7个月 ，为晓 庄矿生产接续打下了坚实基础。公司4 1 2 0 采区三 煤层通过上行开采回收煤炭 2 3 0万 t 煤炭，通过上 行开采回收后，将为企业取得良好的经济效益。通 过煤层群上行开采 ，使矿井的资源回收率大大提 高，并且不仅提升了产量延长了矿井的服务年限， 为企业的转移和转型赢得了时间，具有显著的经济 效益和社会效益。 4 结 论 参考文献 利用现场探测方法研究了下部煤层开采后上 部煤层倾角、煤层及顶底板连续性、完整性的变 化情况 ，为上行开采的可行性判别及回采巷道布 置提供了直接的证据。采用以上的设计方法和原 则晓庄矿的生产取得了成功，同时对晓庄矿 4 1 1 0 采区另外 3 个工作面和本公司4 1 2 0 采区三煤层上 行开采也采用了本文的设计方法进行了设计 ，也 都取得了成功。经过研究和现场应用的实际经验， 得到结论如下 1 通过晓庄矿开采的实践 ，揭示了近距离 煤层上行开采的机制，即当上煤层位于下煤层开采 的垮落带上方时，上煤层及其顶底板整体性遭到了 一 定的破坏，但是仍然能够保持连续性，随着下煤 层开采后时间的流逝，煤层中形成的裂隙和断裂逐 步 “ 愈合” ，煤层的整体性得到改善，满足开采所 需的条件。 2 在上行工作面设计中需要进一步考虑巷 冯国瑞，任亚峰 ，王鲜霞，等． 白家庄煤矿垮落法残采区上 行 开采相似模拟实验研究【 J 】 ． 煤炭学报 ，2 0 1 1 4 5 4 4 -5 5 0 ． 韩军，张宏伟 ，张普田，等． 开滦矿区近距离煤层群上行 开采可行性研究【 J 】 ． 煤炭科学技术，2 0 1 1 1 0 1 4 1 7 ． 张勇， 刘传安 ，张西斌，等． 煤层群上行开采对上覆煤层 运移的影响【 J 】 ． 煤炭学报，2 0 1 1 1 2 1 9 9 0 1 9 9 5 ． 冯国瑞． 残采区上行开采基础理论及应用研究【 D] ． 太原太 原理工大学 ，2 0 0 9 ． 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 1 ． 中国矿业 大学 学报 ，2 0 1 2 4 5 4 3 5 5 0． 冯国瑞，张绪言，李建军，等． 刀柱采空区上方遗弃煤层上 行开采可行性判定【 J 】 ． 煤炭学报，2 0 0 9 6 7 2 6 7 3 0 ． 冯国瑞，闫永敢，杨双锁，张百胜 ，翟英达，康立勋． 长壁 开采上覆岩层损伤范围及上行开采的层间距分析[ J 】 ． 煤炭 学报 ，2 0 0 9 8 1 0 3 2 1 0 3 6 ． 陈勇，王红胜，郭念波 ，张东升． 厚煤层上行开采放顶煤 技术研究与应用【 J 】 ． 煤炭科学技术 ，2 0 0 9 6 9 1 3 ． 上接 第 1 3页 参考文献 【 1 】 伊茂森． 神东矿区浅埋煤层大采高综采工作面长度的选择【 J 1 _ 煤炭学报，2 0 0 7 1 2 1 2 5 3 1 2 5 7 ． 【 2 ] 谢广祥，王磊． 采场围岩应力壳力学特征的工作面长度效 应【 J 】 ． 煤炭学报，2 0 0 8 1 2 1 3 3 6 1 3 4 0 ． [ 3 】 张涛伟，吴学明，陈占扬 ，等． 厚煤层大采高综采工作面长 度合理性分析【 J J ． 煤矿安全，2 0 1 0 8 1 2 8 1 3 0 ． [ 4 ] 李俊斌． 淮南矿区回采工作面长度的探讨[ J 】 ． 煤炭技术， 2 0 0 3 1 O 4 O 4 2 ． 【 5 】 赵宏珠，戴秋梁． 加大综采工作面几何参数对大采高支护设 备发展新要求初探【 J 1 ． 神华科技，2 0 0 9 3 1 8 2 2 ． 1 6 王庆雄，鞠金峰． 4 5 0 m超长综采工作面矿压显现规律研究 [ J 】 ． 煤炭科学技术，2 0 1 4 3 1 2 5 1 2 8 ． 杜善周，丛利． 榆家梁煤矿合理工作面长度及煤柱宽度研 究【 J 】 ． 陕西煤炭，2 0 0 7 6 1 3 1 5 ． 段传鑫． 大采高超长工作面矿压显现特征【 D】 ． 淮南安徽理 工大学 ，2 0 1 4 2 8 5 5 ． 李志华，华心祝，杨科，等． 超长大采高工作面矿压特征 影响因素分析【 J 】 ． 中国煤炭，2 0 1 3 1 5 1 5 4 ． 袁永，屠世浩，王瑛，等． 大采高综采技术的关键问题 与对策探讨【 J 】 ． 煤炭科学技术，2 0 1 0 1 4 8 ． 惠本利． 深部矿井厚煤层超大采高综采技术研究展望[ J ] ． 煤 炭科学技术 ，2 0 1 4 41 - 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