深部缓倾斜煤层开采矿压显现规律研究.pdf

第 2期 2 0 1 4年 6月 水 力采 煤 与管道 运输 HYDR AUL I C C0AL M I NI NG P I P EL I NE T RANS P 0R TAT I ON No ． 2 J u n ． 2 O1 4 瑟 瑟 深部缓倾斜煤层开采矿压显现规律研究 张 巨川 刘小伟 杨晓科 1 ． 开滦集 团唐 山矿 业公 司 河北 唐 山 0 6 3 0 0 0； 2 ． 河 北联合 大 学 河北 唐 山 0 6 3 0 0 0； 3 ． 河北钢铁 集团 司家营研 山铁 矿有 限公 司 河 北 唐 山 0 6 3 7 0 1 ； 4 ． 中煤 集 团西安设 计工程 公 司 陕西 西 安 7 1 0 0 5 4 摘 要 通过 对唐 山矿业公 司 T 2 2 9 3综放 工作 面从 开切 眼到 正常 开采的矿 压观测 ， 并 结合 矿压 显现的特征 ， 初步分析了工作面初 次来压、 周期来压矿压显现 ， 并得 出来压步距； 通过对工作 面巷道变形观测及数据分析 ， 得到工作面巷道变形规律并给出了超前支护参数。 关键 词 深部 开采矿压显现矿 压观 测 采动影响 中图分 类号 T D 3 2 3 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 6 0 8 9 8 2 0 1 4 0 20 0 1 9 0 4 1 引言 我国埋深在 1 0 0 0 m以下的煤炭资源为 2 1 9 5 万亿 t ， 占煤炭资源总量的 5 3 ％ 。目前我国东 部煤 矿正 以每 十年 1 0 02 5 0 m 的速度 向深 部发 展 l 4 J ， 预计在未来 的 2 0 a内 ， 很 多煤矿 的开采深 度将 达到 1 0 0 01 5 0 0 m， 随着 开 采 深度 的增 加 ， 地质环境更加复杂 ， 地应力增大、 涌水量加大、 地 温 升高 ， 导致突发性工程 灾 害和重 大恶性事 故增 加 ， 如矿井 冲击 地压 、 瓦斯 爆 炸 、 矿 压 显现 加 剧 、 巷道围岩大变形、 流变、 地温升高等 j ， 对深部资 源的安全高效开采造成了巨大威胁。现以开滦 集 团唐 山矿业公司 T 2 2 9 3工作面 为基础 ， 通 过对 该工作 面进 行 矿 压 观 测 ， 获 得 老 顶 初 次 来 压 步 距 、 周期 来压 步 距等 主要 参数 ， 初步 掌握 顶 板来 压规律 ， 为工作 面顶板管理提供依据 。 2 工程地质概 况 2 ． 1 地质概况 唐 山矿 业 公 司T 2 2 9 3 工 作 面 地 层 形 态 大致 结 论对 防治瓦斯和火 灾 、 改 善工作 面作业 环境较 为有利 。 ② 沿空 留巷 Y型通 风技 术 对 治理 工 作 面上 隅角瓦斯有 明显 优势 ， 瓦斯治 理效果 明显 。而且 减少 了矿井掘进工程量 ， 节 约了成本 。 ③无煤柱 的 回采方 式 消 除 了 以往 留设 煤 柱 对邻近被保护层 的影响带 来 的安全 隐患 ， 提高 了 安 全 性 。 参考文献 袁 亮．低 透 气煤 层群 首 采 关键 层 卸 压 开 采采 空侧 瓦斯 分 布特征与抽采技术[ J ] ．煤炭学报 ， 2 0 0 8 ， 3 3 1 2 1 3 6 2～ 1 36 7 宋俊 杰．类 Y型通 风 方式在 突 出矿 井 中的应 用分 析 [ J ] ． 煤炭 工程 ， 2 0 0 5 2 2 9～3 0 昊世跃 ， 郭 勇 义．Y型 通风 方 式治 理 高产 综 采 面瓦斯 的研 究[ J ] ．西安科技学院学报， 2 0 0 1 ， 2 1 3 2 0 5～ 2 0 8 郑西贵， 张农， 袁亮等．无煤柱分阶段沿空留巷煤与 瓦斯 共采 方法 与应 用 [ J ] ．中 国矿 业 大学 学报 ， 2 01 2， 41 3 3 90 3 9 6 杨 晓红 ， 马步 才 ， 樊 少武 ．沿 空 留巷 Y 型 通风 瓦斯 治理 效 果 分析 [ J ] ．煤炭 科 学技 术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 7 ， 4 6～ 4 9 [ 6] 国家安全 生产 监督 管理局 ， 国 家煤 矿安 全 监 察局 ．煤矿 安 全规程[ M] ， 北京 煤炭工业出版社， 2 0 1 2 3 3 [ 7 ] 国家安全生产监督管理局， 国家煤矿安全监察局．防治煤 与瓦斯突出规定[ M] ， 北京 煤炭工业出版社 ， 2 0 0 9 2 3～ 25 [ 8] 石琴 谱 ， 杨运 良， 高建 良等．回采 工 作 面 下行 通 风 的研 究 [ J ] ．焦作 矿业 学 院学报 ， 1 9 9 4， 3 6 1 1 32 0 [ 9] 林 柏泉 ， 张 建 国， 崔 成等 ．近 距 离保 护层 开 采采 场 下行 通 风 瓦斯 涌 出及 分 布 规 律 [ J ] ． 中 国矿 业 大 学 学报 ， 2 0 0 8 ， 3 7 1 2 4～2 9 [ 1 O ] 俞 学平， 黄双杰．近水平突 出煤层回采工作 面下行通风 应 用研 究 [ J ] ．煤 炭科 学技 术 ， 2 0 0 5， 3 3 6 1～3， 2 6 [ 1 1 ] 何 国家 ， 阮 国强 ， 杨 壮 ．赵 楼 煤矿 高温热 害 防 治研 究与 实 践[ J ] ．煤炭学报 ， 2 0 1 1 ， 3 6 1 1 0 1 1 0 4 [ 1 2 ] 赵楠， 李增华， 杨永良等．下行通风瓦斯运移规律及 瓦斯 抽 放技 术研 究[ J ] ．煤 炭技 术 ， 2 01 2， 3 1 2 8 4～8 6 作者简介 范晓刚 1 9 8 2一 ， 男， 河南登封人 ， 博士， 助理研究员。 收 稿 日期 2 0 1 40 40 1 1J 1i 1 J l 2 3 4 5 r 【r}rL 水 力采 煤与 管道 运输 第 2期 呈 背斜 构造 ， 背斜轴呈 西北 方 向仰起 与工作 面走 向呈垂直相交 。该 工作 面地质条 件较 为复杂 ， 北 部为 T 2 2 9 2已采 区 ， 南部 、 东 部与采 空区相连 ， 西 邻 T 1 3 9 1未采 区 ， 上方 T l 3 5 l ， T I 3 5 2已采 区及 五 煤层变薄带 。 工作 面 主 采 8 、 9合 区 煤 层 ， 其 厚 度 比较 稳 定 ， 平均厚 度 1 0 ． 5 m。煤 层 中发 育 有 1～3层 夹 石 ， 主要为黑色炭质泥 岩 、 灰褐 色泥 岩 ， 厚度一 般 在 0 ． 1～ 0 ． 5 m。煤层倾 角平均 1 3 。 。 工作 面顶底板 的主要特 征 直 接顶 为灰 色 中 砂岩 ， 厚度 一 般 为 5 ． 5 m， 成 分 以粉砂 质 为 主 ， 含 有少量泥 质 ， 较 为坚硬 ； 老顶 为灰色 中砂岩 ， 厚度 一 般为 8 ． 5 I n ， 以石英 、 长石 为主 ， 硅 质胶结 ， 其 下 有 0 ． 5 m左 右 煤 线 ； 直接 底 为灰 黑 色 泥岩 ， 厚 度 5 ． 5 m， 成 分以泥质为主 ， 贝壳状断 口 ， 近煤处含植 物根化石 ； 底板 为深灰色砂质泥岩， 厚度 3 ． 5 m， 成分 以泥 质为主 ， 粉砂 质次之 ， 含黄铁矿结核 。 矿井 瓦斯 含量不高 ， 涌水量较小 。 2 ． 2工作面概况 T 2 2 9 3工作面采用走 向长壁综合机械化 放顶 煤采 煤 法 ， 采 3 ． 0 m， 放 7 ． 5 m， 采 放 比为 1 ． 0 2 ． 5， 截 深 0 ． 5 m。工作面倾斜 长度 1 4 5 m， 走 向长 度 1 1 0 0 m。工作 面支护选用 Z F S 5 6 0 0 -- 1 6 ／ 3 2型 支架 ， 额 定 工 作 阻力 6 2 0 0 k N； 工 作 面前 部 使 用 S G Z一 7 3 0 ／ 4 0 0输 送机 ， 后 部使 用 S G Z一9 6 0 ／ 7 5 0 输送机 ； 运输 巷 使用 S Z Z一9 6 0 ／ 3 7 5型转 载 机 和 P C N一2 0 0型 破碎 机 及 S S J一1 2 0 0 ／ 22 5 0型带 式输送机 ； 供 液系统使 用 D R B一2 0 0 ／ 3 1 5型乳 化液泵 远方 供 液 。该 工 作 面是 唐 山矿 业 公 司确 定 的高产 高效工作面 ， 日生产 能力 5 0 0 0～6 0 0 0 t 。 3矿 压 观 测 方 案 深部 开采 ， 地应 力显 著增 加 ， 围岩移 动剧烈 ， 工作 面矿 压显现 显著 。顺槽 巷道 周边应 力集 中 ， 应 力增 加 ， 变 形破 坏 严重 ， 对矿 井安 全 生产 影 响 显著 。故 针对 深 部 开采 条件 下 的矿 压 显 现及 巷 道变形规 律制定 以下 的观测方 案。 ①综放 工作 面支 架载 荷观 测 沿工 作 面倾斜 方 向分别 布 5组设支架 载荷 观测 站 ， 每个 支架载 荷观测站 间距 3 5 m， 每个 测站 安装 5块 圆盘 压力 自记仪 ， 测 出支架在 回采 过程 中每棵 柱子 的承载 情况 。通 过对支架载 荷变化 数据 的记 录整理 ， 得 到工作 面矿压显现的规律 。其 布置 如图 1所示 。 ②巷道 围岩 收敛 观 测 在 工 作 面 回采期 间 ， 2 0 分别在 回风顺槽 、 运输顺槽 ， 距工作 面 1 0 0 m 的范 围 内布置采用十字 布点法 矿压 观测站 1个 ， 从 而 记录工作 面向前推进 时 ， 由于工作 面周期 来压 对 回采巷道 的影 响 ， 得到巷道 变形 的规 律 。其 布置 如图 2所示 。 ③顶板离层仪 在工作面巷道掘进时 ， 每隔 5 0 m在巷道 中间位 置布置 1个 离层仪 ， 其 目的是 监视 由于工作 面 回采 ， 影 响 巷道 上顶 8 m 范 围 内 围岩离层情况 。 图 1 工作面支架载荷观测点布置图 A 一 0 垂 直变 形； A B 顶沉 变 形 O B 底鼓 变 形； C D 水平变 形 图 2 巷道围岩收敛观测示意图 4 矿压观 测 4 ． 1工 作 面 由于 T 2 2 9 3工作 面的倾 角 平 均 1 3 。 ， 为 了更 好地研究 工作面 的矿 压显 现规律 ， 将其分 为 3个 区 ， 分别 为上测区 ， 中测 区 ， 下测 区 。其 中上测 区 距运输顺槽 1 0 51 4 4 m； 中测 区距运输顺槽 4 5～ 1 0 5 m； 下测区距 运输顺槽 0～4 5 m。 4 ． 1 ． 1初次来 压 以每个记 录的支 架工 作 阻力 为纵 坐标 ， 以观 测循环 次数及推进距 离为横 坐标 ， 支架工 作阻 力 与工作 面 推进 关 系 曲线 如 图 3所 示 。从 图 3中 可 以看 出 ， 中测 区 的支架 工 作 阻力最 大 ， 其 次 是 上测 区 ， 且 上测 区和 中测 区的支架 工作 阻力都 在 增 加 ， 但 增加 的幅度 不是 很 大 ， 而 对 于下测 区则 是先 变小 ， 当推进 到 8 m 时 ， 开始 增 大 ， 通 过现 场 2 0 1 4年 6月 张 巨川等 深部缓倾斜煤层开采矿压显现规律研究 第 2期 的观察得到此 时直 接顶垮 落 ， 导致 支架 阻力急 剧 上升。从而得 到 工 作 面直 接顶 的垮 落先 由工 作 面 中部开 始 ， 然 后按 照工 作 面上 测 区 ， 下测 区的 顺 序逐步垮落 ， 其初步垮落步距 为 8 ． 0 m。 当工作 面 继 续 推 进 ， 支 架 工 作 阻 力 急 剧 增 加 ， 且增加 的幅度较大 ， 当推进 到 1 0 m 时 ， 支架 工 作 阻力达 到一 个 峰值 ， 此 后 慢慢 趋小 ， 且变 化 的 幅度 较为 平缓 ， 此 时可 以认 为工 作 面老 顶断 裂 ， 工作 面矿 压 显现 剧烈 ， 此时 为 工作 面初 次来 压 。 工作面初次来压步距 1 0 m。 图 3 支架工作阻力与工作面推进距离关系 图 4 支架初撑力与工作面推进距离关系 4 ． 1 ． 2周期来压 随着工 作 面 初 次 来 压 后 ， 顶 板 活 动 趋 于 平 和 。从 图 3中可 以看 出 ， 支架 工作 阻力 在缓慢 的 降低 ， 当工作面 推进 到 2 0 m时 ， 工 作 阻力 突然 急 剧增大 ， 当工 作 面推 进 到 2 4 m， 支 架 工作 阻力 达 到一 个 峰值 ， 此 后 开始 变小 ， 其 中 中测 区变化 较 小 ， 上 测 区和下 测 区 以较快 速 度下 降 ， 到 达峰 值 时 因为顶 板 老顶 断裂 ， 顶板 来压 ， 此 时为 第二 次 周期来压 ， 来压步距 1 4 m。工作面继续推进 ， 分 别在 3 4 m， 4 4 m， 5 4 m出现周期来压 ， 由此可 以推 表 1 支架初撑力统计表 上测 区 中测 区 下测 区 平均 值 28 ． 4 4 3 O． 63 3 0． 7 O 2 9． 92 3 7． 6 3 40． 5 4 40． 6 3 3 9． 6 0 断工 作 面 周 期 来 压 最 小 1 0 m， 最 大 2 4 m， 平 均 1 7 m。平 均周 期来 压与初次来压之 比为 0 ． 6 8 7 5 。 4 ． 1 ． 3支架初撑力 从 图 4可 以看 出， 支架 的初撑 力 和工作 阻力 的变化趋势基 本一致 。从 表 1中可 以看 出 ， 支 架 能够起到一定 的支撑作 用 ， 同时对 工作 面 的顶 板 管理及控制效果 也是 相 当理 想 的。回采过 程 中 ， 支架初撑 力为 1 0 0 4 ． 82 7 6 3 ． 2 k N ／ 架 ， 平 均 为 1 5 6 6 ． 7 k N ／ 架 ， 占额 定 初 撑 力 的 2 9 ． 9 2 ％ 。 由此 可 以看 出 ， 该 支架 初撑 力 的设 计 比较合 理 ， 能够 适应采场活动 的需要 。 4 ． 2 工作 面巷 道 深部矿 井巷 道 变 形是 矿 井 开采 过 程 中面 临 的重大 的安全 因素之一 ， 巷 道变形 主要 表现 为随 着 开采 深度 的增 加 ， 地 应力 显 著增 大 ， 巷 道周 围 应力增高 ， 与浅部相 似 的较 硬 围岩达 到深部 后成 为 “ 工程软岩 ”， 表现 出强烈 的扩容性 和应变 软化 特征 _ 6 j ， 巷道 岩体 强度 降 低 ， 巷 道 与支 护 体破 坏 严重 ， 底鼓现象普遍 ， 巷 道变形 导致 支护 困难 ， 返 修比高。所以对工作面巷道检测， 得到工作面巷 道变形规律并 给出超前支 护参数 ， 对矿 井安全 高 产高效 ， 降低成本 意义 重大。 4 ． 2 ． 1 回风顺槽 在工作 面前 方 1 0 0 m 处 布置 测点 ， 对巷 道 水 平变形 ， 顶底板移 近 ， 底鼓 进行 观测 ， 得 到 了巷道 变形量与 工作 面 推进 距 离之 间的关 系 如 图 5所 示 。从 图 5可 以看 到 ， 随着 工 作面 推 进 ， 巷道 的 水平变形 、 顶底板移 近都在 增加 ， 总 体来说 ， 水平 移 近量 变化 较小 ， 顶底 板 变形 较 大 ， 以底 鼓 变形 最大 ， 水平 次 之 ， 垂 直 最小 。其 中底 鼓 变形 速 度 是垂直变形 的 2 ． 1 3倍 ， 是水平变形 的 1 ． 3 7倍。 距离工作面 l 07 0 m巷道 围岩变形 比较 明显 ， 出 现 了多个 峰值 ， 基 本上 与工作 面的周 期来 压步距 相统一 。可 认 为是 工 作 面 出现 了周 期 来 压对 巷 道形成 了影 响 ， 从 而使得 巷道 围岩受 到 的应 力增 大 ， 岩层 出现 了离 层 ， 使 得 巷 道 变形 量 较 大。 当 21 0 2 8 3 6 7 4 9 ∞ {1 4 2 6 4 6 3 5 8 粥 ∞ 2 2 2 2 9 9 3 7 8 3 7 6 船 ∞ 印 i 1 水 力采 煤 与管道 运输 第 2期 采 场 应力 重新 平 衡后 ， 应力 得 到释放 ， 岩 层离 层 变小 ， 巷道 变 形变 小 。上 述 结果 表 明 ， 采场 工 作 面超前 0～7 0 m范 围以内巷道 围岩在 采动影 响下 产生 的围岩变形 比较剧 烈。 4 ． 2 ． 2运输顺槽 在工作 面前 方 1 0 0 m处 布 置测 点 ， 对巷 道 水 平变形 ， 顶底板移近 ， 底 鼓进行 观测 ， 得 到 了巷道 变形量 与工作 面 推进 距 离之 间的关 系 如 图 6所 示 。从 图 6可 以看 出， 巷道 水平 变形与 顶底板 移 近 变形 基本 一致 ， 且 变化 不是 特别 剧烈 ， 较 为平 缓． 前 期 因 为巷道 的掘进 ， 导致 围岩 周 围的应 力 重 新平 衡 ， 随着 重新 平衡 应力 的降低 ， 巷 道 变形 逐渐变 小。当与工作面距离小于 7 0 m时 ， 变形开 始变 大 ， 速 度较快 ， 在 6 0 m处 出现一个峰值 ， 此 时 正 和工作面周期来压 相对应 ， 说 明工 作面 矿压显 现对顺 槽巷道产 生 了影 响 。随后 逐渐 降低 ， 在距 离工 作面 3 5 m处 开始 变大 ， 且 增 速较 大 ， 此 时 因 为距离工作面较近， 所以回采对巷道 的影响大。 通 过对数据 的分析处 理得 到 ， 工作 面 回采 对运 输 顺槽 影响超前 6 0 m。 图5 回风顺槽变形与工作面推进距离关 系 图 6 运 输顺 槽变 形 与工 作面 推进距 离 关 系 4 ． 2 ． 3顶板离层仪 在工作 面 回采 过 程 中， 对 回风 顺槽 、 运 输 顺 槽 的顶板离层 仪进行周 期监 测 ， 及 时掌握巷 道上 顶 8 m范 围内围 岩在 回采 采 动影 响下 离层 情况 。 通过对 观测 巷道上顶 围岩并 末发 生较大 的离层 ， 且离层 范围较小 ， 说 明该 巷道 受邻 区人为条 件 和 2 2 自身条件影 响较小 。 5 结 论 ①通过对工作 面矿 压 的观测 ， 直 接顶 在工 作 面推进 8 m 时垮落 ， 工作面初 步来压 1 0 m， 平 均周 期来压 1 7 m， 平 均 周 期 来 压 与初 次来 压 之 比为 0． 68 75。 ②工作面中测 区支架工作阻力最大， 上测 区 次之 ， 下 测 区最 小 ， 直 接 顶 、 老 顶从 中部 开 始 断 裂 。支架初撑 力平 均为 1 5 6 6 ． 7 k N ／ 架 ， 占额定 初 撑力 的 2 9 ． 9 2 ％ 。由此可 以看 出该支架初撑 力 的 设计 比较合 理 ， 能够 适应采场活动 的需要 。 ③回风顺槽水 平变形较小 ， 顶底 板变形 较 大 ， 以底鼓 变 形最 大 ， 水 平 次 之 ， 垂 直最 小 ， 其 中 底鼓 变形速 度是 垂 直变 形 的 2 ． 1 3倍 ， 是 水 平 变 形 的 1 ． 3 7倍 ， 距工作面 0～7 0 m的巷道 围岩在 采 动影 响下产生 的围岩变形 比较剧烈 。 ④运输顺槽水平变形与顶底板移近变形基 本一致 ， 距工作 面 06 0 m 的巷道 围岩 在采 动 影 响下 产生 的 围岩 变形 比较剧 烈 。所 以在 距 距 工 作 面 0～ 6 0 m 的巷道 ， 应加 强支护 。 参考 文献 [ 1 ] 张 建 民．煤炭 工 业仍 将 是 21世 纪我 国能 源 工 业 的 主 力 军． 中国能 源 ， 2 0 0 2， 2 6 4 2 2～2 6 [ 2] 谢 和平 ．深部 高应 力下 的资 源开采 现状 、 基础 科 学 问题 与 展 望 [A] 科 学前 沿 与 未 来 第 六 集 [ c]， 北 京 中国 环 境 科 学 出版社 ， 2 0 0 2 [ 3 ] 何 满潮 ．深部 开 采 工程 岩 石 力 学 的现 状 及 其 展 望 [ A] 第 八 次全 国岩 石 力学与 工程 学术 大会 论 文 集 [ c] ， 北 京 科 学 出版 社 。2 0 0 4 [ 4] 晏 玉 书．我 国煤 矿软 岩 巷 道 围岩 控 制技 术现 状 及 发 展 趋 势[ A]中国煤矿 软岩 巷道 支护 理论 与 实践 [ c] ．北京 中 国矿 业大 学 出版 社 ．1 9 9 6 [ 5 ] 朱刘娟 ， 栗红喜 ， 陈俊杰 ． 煤 矿深 部 开采存在 的 问题及 对 策 探 讨 [ J ] ．煤 炭科 学技 术 ， 2 0 0 7，6 2 6 1 4 61 4 7 [ 6] 何 满朝 ， 彭涛．高应 力软 岩 的 工 程地 质 特征 及 变形 力 学机 制 [ J ] ． 矿 山压 力与 顶板 管理 ， 1 9 9 5， 1 2 2 8一l 1 作 者简 介 张 巨川 1 9 8 1一， 男，山西 孝 义人 ， 毕 业 于 中 国矿 业 大 学 北京 采矿 工程 专业 ， 本科 学历 ， 河 北唐 山市 开滦 集 团唐 山矿 业 分公 司生产技 术部 ， 工程 师。 收稿 日期 2 01 4一o 12 4