深部卸压厚煤层综采矿压显现规律研究.pdf

第4 6 卷第1 2 期 2 0 1 4 年第1 2 期 煤炭工程 CO AL E NGI NE ER I NG Vo 1 ． 46， No ．1 2 No ．1 2， 2 01 4 d o i 1 0 ．1 1 7 99 ／c e 2 01 41 2 0 31 深部卸压厚煤层 综采矿压 显现规律研 究 李宏亮 ，华心祝 ，杨 科 ，陶 睿 1 ．安徽理工大学 能源 与安全学 院 ，安徽 淮 南2 3 2 0 0 1 ； 2 ．煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室 ，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 摘要 为了掌握 深部 卸压厚煤层开采矿压显现特征，结合丁集煤矿 1 31煤 1 2 8 2 3 和 1 1 4 1 3 工作面地质和开采技术条件 ，通过现场 实测综采面卸压开采矿压显现特征 ，对 比分析表 明，卸压开采使得被保护层回采期 间矿压显现强度有所降低 ，支架适应性良好 ，煤壁片帮情况改 善，有利于采场围岩控制，为类似地质条件下工作面开采提供一定的参考依据。 关键词深部开采 ；卸压开采；大采高；矿压显现 中图分类号T D 8 2 3 ． 8 4 文献标识码 A 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 4 1 2 - 0 0 9 3 - 0 4 St u d y o n M i n e S t r a t a Be ha v i o r La w o f Fu l l y M e c ha n i z e d De s t r e s s e d M i n i n g i n De e p Thi c k Se a m L I Ho n gl i a n g ， HU A Xi nz h u ， YANG K e ， T AO Ru i 1 ． S c h o o l o f Mi n i n g a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g ，A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a ； 2 ． MO E K e y L a b o r a t o r y of C o a l Mi n e S a f e t y a n d Hi g h E f f i c i e n c y Mi n i n g ，Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a Abs t r a c tI n o r de r t o g r a s p t he s t r a t a be h a v i o r c ha r a c t e ris t i c s o f des t r e s s e d mi n i ng i n d e e p t h i c k c o a l s ea m ， i n s i t u o b s e r v a t i o n a n d c o m p a ri s o n w a s c o n d u c t e d f o r s t r a t a b e h a v i o r s o f d e s t r e s s e d mi n i n g i n 1 2 8 2 3 a n d 1 1 4 1 3 w o r k i n g f a c e D i n g j i c o a l m i n e ，b a s e d o n t h e g e o l o g i c a l a n d p r o d u c t i o n t e c h n o l o g y c o n d i t i o n s ．T h e r e s u l t s h o w s t h a t ，t h e s t r a t a b e h a v i o r s i n t e n s i t y r e d u c e s i n d e s t r e s s e d mi n i n g， l e a d i n g to f a v o r a b l e a d a p t ab i l i t y o f s u p p o r t s a n d a l l e v i a t i o n of ri b s p a l l i n g ． Ke ywor ds d e e p mi ni n g；de s t r e s s e d mi ni n g；l a r g e c ut t i ng h e i g h t；s t r a t a be ha v i o rs 随着煤炭开采技术的发展 ，我国诸多矿区已进入深部 开采 ，特别是东部 矿 区的部 分矿井 开采 深度接 近千 米 。不 同于浅层开 采 ，深部煤 层埋 藏深 、地 应力 高 、瓦斯 浓度 高 等复杂地质条件，给矿井安全高效生产带来严重威胁⋯。 淮南矿区部分矿井开采深度超过 8 0 0 m，高应力、高瓦斯 、 低透气性是深部煤层特点，采用保护层卸压开采技术一方 面解决 了上覆煤层 的瓦斯 富集难 采难 题 _ 2 J ，另一 方面 也解 决 了厚煤层开采 支架选 型困难 J 、煤 壁片 帮严重 j 、采场 顶板管理难度大 等系列技术难题。不同地质条件、采场 的时空关系 ，“ 卸压开采 ” 的效果有很大差异 ，针 对下 方工 作面回采后 ，深部卸压厚煤层回采期间的矿压显现特征进 行研究，能为工作面支架适应性评判、煤壁片帮效果分析 提供可靠依据 。对工 作面 的安全 高效 生产 具有重 要 的工程 意 义。 1 工程背景 丁集煤矿位于淮南矿区，西邻顾桥煤矿，设计生产能 力为 5 ． 0 M t 。1 31煤是丁集煤矿的主采煤层 ，煤层厚度 0 ． 2～ 5 ． 5 m，平均厚度 4 ． 1 m，煤层内通常发育 1 2层泥岩 或炭质泥岩夹矸，厚 0 ． 1～ 0 ． 6 m，平均 0 ． 3 m；整体煤层倾 角 0 。 ～1 0 。 ，平均 3 。 。1 1 4 1 3 和 1 2 8 2 3 工作面分别位于 矿井 一8 2 6水平 东一 采 区和西一采 区 ，均 开采 1 31煤层 。 1 1 4 1 3 工作面东部切眼临近防水煤柱线，西临 F 8 3断层 ， 南临 F 1 6 1断层，该工作面周围均为未采区；1 2 8 2 3 工作 面位于西部 1 31煤层采 区大巷以西 ，z F一 5断层以东 ， F 8 5 、F 1 1 7断层 以北 ，工作 面下方 的 1 1 2煤 的 1 4 2 2 1 工 作面、1 4 1 2 1 工作面已回采完毕，1 2 8 2 3 工作面为蹬空 开采，属于上行卸压开采被保护层，在工作面顶板布置有 收稿 日期 2 0 1 4 0 6 2 6 基金项目国家 自然科学基金 5 1 3 7 4 0 1 1 作者简介李宏亮 1 9 8 6一 ，男，山东枣庄人，主要从事矿 山压力与岩层控制方向的研究，Em a i l h o m e l l y 1 2 6 ． e o m。 引用格式 李宏亮 ，华心祝 ，等．深部卸压厚煤层综采矿压显现规律研究 [ J ] ．煤炭工程 ，2 0 1 4 ，4 6 1 2 9 3 9 6 ． 93 煤炭工程 2 0 1 4年第1 2 期 瓦斯抽采巷道。 条件见表 l 。 1 1 4 1 3 工作面和 1 2 8 2 3 工作面开采地质 探索深部卸压厚煤层开采的矿显现规律特征。 表 1 1 1 4 1 3 和 1 2 8 2 3 工作面开采地质条件 2 存在的问题 1 1 4 1 3 工作面为 1 31 煤东一采区首采面，课题组于 2 0 1 0年7月至 9月在综采面回采期间进行矿压观测 ，实测 结果存在以下特点 1 液压支架支撑力基本能够满足正常 回采需 要 ，但在 初采期间和正常回采阶段，支架的末阻力最大值均有逼近 支架工作阻力极限的情况。 2 煤壁片帮较明显 ，在现场观测期间，随着采深加 大，煤壁支承压力和煤壁破碎区宽度不断增大，煤壁片帮 程度随之加重 ，特别 在工 作面 回采后 期 ，需采取 有效 预防 和治理煤壁片帮的措施，保障生产的顺利进行。 作为同采 1 31 煤的1 2 8 2 3 工作面，工作面布置如图 1所示。 陋 H 图 1 1 2 8 2 3 工作面开采平面 图 1 2 8 2 3 工作面采深、采高增加势必导致顶板压力和上 覆岩层活动范围加大，煤壁前方破坏区及支承压力峰值增 高 ，煤壁稳定性降低、煤壁极易发生片帮、支架选型难 度 大 ，影 响矿井安全 高效生产 。 1 1 4 1 3 工作面顶板压力预测采用传统经验估算方法预 测 ，当增载系数取 8 ． 5时，预测得顶板压力强度较符合现 场实际情况。假定 1 2 8 2 3 工作面不采用卸压开采，根据 经 验式 1 9 ． 81 0 MK R 1 式中，Q为预计顶板压力，MP a ；M 为工作面最大采 高，m；K为增载系数，一般取6 1 1 ；R为容重 ，k g ／ m 。 1 2 8 2 3 工作面增载系数同取 8 ． 5 ，采高取 4 ． 5 m，预测 顶板压力可达 0 ． 8 8 MP a 。因此，综合考虑地质、采高等因 素，支架支护强度选择 1 ． 0 MP a 。因工作面实际采取卸压开 采，处于被保护层卸压区，因此所选支架的支护强度能够 满足顶板压力要求。 本文在试验性开采基础上，通过现场实测对 比分析， 9 4 3卸压开采矿压显现规律实测研究 3 ． 1 工作 面 沿走 向矿 压显 现特征 1 2 8 2 3 工作面 自开切眼开始推进，当工作面平均推进 9 ． 8 m时，经观测发现工作面下部 4 1 ～ 7 0 和中部 2 0 ～ 4 0 直接顶首先初次垮落，冒落高度为 1 ． 21 ． 8 m；7 1 至 机尾范围内直接顶部分悬空，8 h后支架后方采空区已基本 充实。由监测支架压力曲线分析判断工作面直接顶的初次 垮落步距 1 01 3 m。 对各支架工作阻力观测数据统计，绘制各测站支架平 均压力与推进距离关系图，如图2所示。工作面初次来压 和周期来压 ，来压步距见表 2 。 工作面推进距离／ m 图 2 工作面支架平均工作阻力与推进距离关系 表 2 工作面来压步距统计 工作面推进至2 72 9 m时，老顶初次来压，来压步距 约为2 8 ． 5 m，工作面继续推进 ，老顶周期来压。周期来压 步距平均约为 1 2 ． 4 m，初次来压时工作面上部较先来压； 周期来压 时 ，工 作面 中部较先 来压 。回采初期 工作 面初 撑 力基本在 1 5 M P a 左右，小于合格值 2 4 M P a ，之后提高初撑 力，确保了支护效果 ，整体适应性良好。 3 ． 2工作 面沿倾 向矿 压显 现特征 在工作面周期来压期 间，工作面倾向支架平均阻力分 布如图 3所示 。 工作面倾斜方向表现出上部顶板压力大于中下部分布 特征，压力极大值主要分布在 2和 3号测站附近，可以推 断在工作面的中上部首先发生老顶破断。工作面支架工作 阻力在 3 4 5 04 0 0 0 k N，当工作面回采上端头相对滞后时， 该部分测站压力值呈增大趋势。 3 ． 3支架工作 阻力分布特征 根据工作面实际推进情况，每个循环内支架工作阻力 的大小受支架操控水平、顶板变化情况影响，在工作面不 2 0 1 4年第 1 2 期 煤炭工程 测站号 图 3 工作面倾 向支架平均 阻力 同位置实际工作阻力也会有差异 ，通过统计比较可以反映 工作面顶板压力大小与支架适应性的关系。1 2 8 2 3 工作面 液压支架的初撑力和循环末阻力平均值见表 3 。 回采期间，支架平均工作阻力为 2 7 7 5 3 4 7 9 k N，为设 计值 3 5 ． 7 8 ％ 一 4 4 ． 8 6 ％ ；末阻力平均值 4 2 1 0～5 3 4 7 k N，约 为额定值 的4 7 ． 8 4 ％ ～6 0 ． 7 6 ％，低于支架额定值 8 8 0 0 k N， 支架工作 阻力 有一 定程度富裕系数。 表 3支架初撑力和循环末阻力平均值 3 ． 4煤壁 片帮 分析 在开采初期，工作面片帮现象较少，随着工作面推进， 开采高度逐渐增加，片帮现象有所加重。工作面两端片帮 深度一般小于 1 ． 0 m，均位于煤壁上方拐角处；工作面中部 受来压 、采煤机割煤的扰动影响，顶板较破碎，最大片帮 深度达 1 ． 2 m。之后 ，适当提高工作面推进速度 ，并且在割 煤前后及 时支 护护 帮板 ，煤 壁片帮得 到较好 的控制。 3 ． 5 回采巷道矿压显现规律分析 采用 “ 十字测量 法 ”对 回采巷道 变形量 进行 测量 ，在 工作面前方两巷前方 6 0 m处布置回采巷道围岩变形量测点 各 1 个 。主要测量 内容 为顶底板移 近量 和两帮移近量。 1 回采巷道围岩移近量分析。通过对两巷道内测点测 量统计 ，回采巷道的围岩移近量变化规律如图4所示。 由移近量变化曲线图可以看出1 2 8 2 3 工作面回采期 间两巷的围岩受采动影响大致可分为三个区域，即围岩变形 缓和区 超前工作面5 5 m以外 、围岩变形显著区 超前工作 面2 3 ． 5 5 5 m 、围岩变形剧烈区 超前工作面 0～2 3 ． 5 m 。 因此 ，应做好围岩变形显著区域的两巷超前支护 。 2 回采巷道围岩变形速度分析。实测两巷围岩移近速 度 的变化 规律 如图 5 所示 。 根据现场 观测 数据绘 制 的两巷 围岩移 近速度 变化 曲线 目 8 0 0 昌 6 0 0 驾4 0 0 漤 2 0 0 O 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 O 7 0 距工作面距离， m a 机巷6 O m测站 口 6 0 0 4 0 0 2 00 0 0 l 0 2 0 3 O 4 O 5 O 6 O 7 O 距工作面距离／ m if 风巷 6 0 m测站 2 0 0 1 0 0 O 图 4 回采巷道测点移近量变化规律 0 1 0 2 O 30 4 0 50 6 O 7 O 距工作面距离／ m a 风巷 6 0 m测站 2 0 0 l 0 0 O 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 距工作面距离／ m b 机巷6 0 m 测站 图 5 回采巷道测点移近速度变化规律 图，巷道围岩移近速度变化趋势 由3部分组成 ，即剧烈变 化阶段 ，由于受 回采动压的强烈影响，在距工作面煤壁前 方 2 2 ． 5 m以内，巷道围岩变形剧烈，巷道变形速度显著； 显著变化 阶段 ，在 工作 面前方 2 3 ． 5～ 5 7 m，由于巷 道受 工 作面超前支承压力作用，巷道变形速度随工作面推进逐渐 增加 ；平稳变化 阶段 ，这 一部 分 的巷 道远 离 回采 面 ，受 采 动影响很小，围岩移动速度较小，巷道维护状况 良好。 4 深部厚煤层卸压开采效果分析 4 ． 1 支架 工作 阻力适 应性 良好 1 1 4 1 3 工作面支架的工作阻力基本满足支护强度需 要 ，末阻力平均强度工作在额定值的 6 8 ． 4 ％，最大值有逼 近超过支架工作阻力极限的情况；被保护层 1 2 8 2 3 工作 面卸压开采时，支架初撑力和末阻力平均值约为超过支架 额定值 6 0 ％，支架的工作阻力有较大富裕。1 2 8 2 3 工作 面安全阀开启率统计表见表4 。 回采期间，1 2 8 2 3 工作面支架安全阀开启率比 1 1 4 1 3 工作面有所降低。统计发现 ，支架的前柱开启率大于后 柱 ，工作面 中部大 于两端。4 l 支架前柱 开启率不 大于 1 4 ． 7 ％ ，后 柱开启率 不大于 1 1 ． 3 ％ 。整架开启 的情 况较少 ， 9 5 一 l _ I I I Ⅲ ＼ 龄 暑m 】 ＼ 蝌 龄 煤炭工程 2 0 1 4年第 1 2 期 推进速度较快时，安全阀开启率降低，整架开启的情况较 少 出现。 表4 1 2 8 2 3 工作面安全阀开启率统计表 4 ． 2 煤壁片帮情况改善 相较于 1 1 4 1 3 工作面较严重煤壁 片帮 ，1 2 8 2 3 工作 面在正常回采时，煤壁片帮的情况得到改善 ，片帮产生几 率和片帮程度均有所降低。只要采取诸如及时支护护帮板、 适当提高推进速度、异常情况控制采高等措施，就可避免 因煤壁片帮导致生产停滞。 5结论 1 由于保护层 1 1 2煤 卸压开采，使得上方被保护 层 1 3 1煤 内应力重新分布 ，出现应力集 中区及卸 压 区， 给卸压区 1 2 8 2 3 工作面回采和煤层内瓦斯抽采提供有利 条件 。 2 通过现场实测对比表明，保护层 1 4 2 2 1 工作面开 采降低了被保护层 1 2 8 2 3 工作面回采期间顶板来压强度， 、 、 将支架工作阻力降低至合理的工作区间，利于支架选型； 煤壁片帮在一定程度上得到改善。 3 对深部卸压厚煤层 1 2 8 2 3 首采面矿压显现进行较 为全面的观测分析，能为采区其他工作面及后续类似条件 下工作面安全高效开采提供一定的参考。 参考文献 [ 1 ] 王占银，侯树宏，张伟．大采高综采工作面矿压显现规律 研究 [ J ] ．煤炭工程 ，2 0 1 1 1 4 1 4 3 ． [ 2 ] 张农 ，袁亮 ，王成 ，等．卸压开采顶板巷道破坏特征 及稳定性分析[ J ] ．煤炭学报 ，2 0 1 1 1 1 1 7 8 41 7 8 9 ． [ 3 ] 郭朋星，赵辉．大采高液压支架选型及适应性分析 [ J ] ． 煤炭技术 ，2 0 1 0 1 2 4 6 ． [ 4] 宁宇．大采高 综采 煤壁 片帮 冒顶机 理与控 制 技术 [ J ] ． 煤炭学报 ，2 0 0 9 1 5 0 5 2 ． [ 5] 文志杰 ，赵 晓东 ，尹立明 ，等．大采高顶板控制模型及支架 合理承载研究 [ 】 ] ．采矿与安全工程报， 2 0 0 1 2 2 5 5 2 5 8 ． [ 6 ] 闫少宏，尹希文，许红杰，等．大采高综采顶板短悬臂梁一 铰接岩梁结 构与支架工作阻力的确定 [ J ] ．煤炭学报， 2 0 1 1 1 1 1 8 1 61 8 2 0 ． [ 7 ] 赵国栋 ．大采 高长工 作面矿 压显 现规 律及支 架适 应性研 究 [ J ] ．煤炭工程 ，2 0 1 3 1 8 38 5 ． 责任编辑郭继圣 上接第 9 2页 g 取得尽量多的实测数据，确定适合的参数 ，运用 B o h z m a n n 模型进行拟合地基沉降，对软基工程中的最终沉降量的计 算与预测有重要意义。 参考文献 [ 1 ] 宰金珉 ，梅 国雄．成长曲线在地基沉 降预测中的应用 [ J ] 南京建筑工程学院学报 ，2 0 0 0，5 3 2 81 3 ． [ 2 ] 图 4沉降量与 时间关 系的对 比曲线 [ 3 ] 4结论 1 软基的沉降时间曲线通过经历开始、不断发展、出 现逐渐稳定阶段 ，最终到达相应 的极限，符合普通历时曲 线 的一般规律 。 2 根据地基沉降的基本特征，通过对地基沉降时间曲 线的一般形式，提出并运用 B d t z m a n n曲线模型拟合了软土 地基的沉降曲线 ，确定 B o h z m a n n曲线模型的求解方式。 3 分析拟合结果显示，B t z m a n n模型相比 L o s t i c模 型、指数曲线模型和双曲线模型，其与实测是沉降历时曲 线在形式上更加吻合，有较高的拟合精度，拟合优势更为 明显 。 4 实测数据的多少直接影响了预测拟合的精确与否， 朱志铎，周礼红．软土路基全过程沉降预测的 s t i c 模型 应用研究 [ J ] ．岩土工程学报 ，2 0 0 9，3 1 6 9 6 59 6 9 ． 赵 明华 ，龙 照．路 基沉 降 预 测 的 u s h e r模 型 应 用 研究 [ J ] ．岩土力学 ，2 0 0 8 ，2 9 1 1 2 9 7 32 9 7 6 ． 王伟，卢廷浩．基于 W e b u l l 曲线的软基沉降预测模型分 析 [ J ] ．岩土力学， 2 0 0 7 ， 2 8 4 8 0 3 8 0 6 ． 梅 国雄 ，宰金珉 ，殷宗泽 ，等．沉 降 一时间 曲线呈 ⋯ S’型 的证 明一 从一维 固结 理论 角度 [ J ] ．岩土力 学 ，2 0 0 4，2 4 1 2 0 2 2 ． 梅国雄 ，宰金珉 ，殷宗泽 ，等．沉降 一时间 曲线呈 “ s ” 型 的证明一 从土体本构关 系 [ J ] ．岩土力学 ，2 0 0 5 ，2 6 s 1 212 4 ． 张 光 澄 ，王 文娟 ，韩会 磊 ，等．非 线 性 最 优化 计算 方 法 [ M] ．北京 高等教育 出版社 ，2 0 0 5 ． 粟塔 山．最优化计 算原理 和算法程 序设计 [ M] ．长沙 国 防科技大学 出版社 ，2 0 0 1 ． 责任编辑杨蛟洋 O O O O O O O O O O ． 4 罐邶 矬 睬 ] ] ] ] ]