近距離煤層采空區下工作面礦壓顯現規律研究＊

周 楠張 強安百富聶守江

(1.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇省徐州市,221116;2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008)

近距離煤層采空區下工作面礦壓顯現規律研究＊

周 楠1,2張 強1,2安百富1,2聶守江1,2

(1.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇省徐州市,221116;2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008)

針對近距離煤層采空區下開采采場礦壓控制問題,根據某煤礦地質條件及工作面布置方式,采用物理相似模擬與現場實測相結合的研究方法,總結了近距離煤層上煤層開采完畢后,采空區下工作面回采過程中礦壓顯現規律,進一步分析了采空區下采場覆巖運動規律;由于上煤層開采造成上覆巖層垮落,老頂巖層完整性受到破壞,采空區下煤層開采時,工作面采場覆巖構成“塊體-散體-塊體”的復合老頂結構,從而使工作面開采過程中形成“小-大初次來壓及周期來壓”的礦壓顯現規律。

近距離煤層 煤層開采 工作面礦壓 礦壓顯現 覆巖運動 物理相似模擬

在近距離煤層的開采中,由于上煤層開采后,其上覆巖層垮落或裂隙發育,當開采下煤層時,覆巖結構與單煤層開采有較大的區別,采空區下工作面的礦壓顯現也因此表現出不同的特征。

本文結合某煤礦10#-110工作面的采礦地質條件,采用物理相似模擬、理論分析及現場實測的方法,分析了上層煤開采完畢后,采空區下工作面上覆巖層的結構特征及移動規律,在此基礎上,研究了工作面的礦壓顯現規律,為類似條件的近距離煤層采空區下工作面開采提供理論依據和借鑒。

1 采礦地質條件

某煤礦主采煤層為9#和10#煤層,9#煤層位于太原組中部,平均傾角為6°,煤層厚度0.35～3.1 m,平均1.9 m,含1～3層夾矸,在采區內煤層不穩定。10#煤層位于太原組中下部,上距9#煤層2～10 m,平均7 m,平均傾角7°,煤層厚度0.89～3.5 m,平均2.83 m,含0～3層夾矸,為層位穩定的可采煤層。

上部9#煤層已采空,原工作面傾斜長度為170 m,各工作面之間留設煤柱寬20 m。為減少9#煤層遺留煤柱產生的集中應力對10#煤層回采的影響,10#煤層工作面與9#煤層工作面呈內錯距15 m布置,10#煤層開切眼在9#煤層開切眼外15 m。10#-110工作面為10#煤層首采面,其煤層平均厚度為2.83 m,平均傾角5°,傾斜長度為140 m,走向長度為615 m。9#和10#煤層頂底板情況見表1,工作面布置見圖1。

表1 9#和10#煤層頂底板情況

圖1 10#-110工作面布置圖

2 工作面開采過程物理模擬分析

2.1 物理模型建立及實驗步驟設計

根據物理相似模擬理論,按照該礦的礦體賦存狀況及實驗待開采的范圍,建立比例為1∶100物理模型見圖2。

模型高度1.09 m,包括9#煤層和10#煤層至關鍵層的所有巖層,關鍵層上覆巖層簡化為0.02 MPa的均布載荷,模型寬度為2.0 m,能使9#煤層和10#煤層工作面基本達到充分采動。模型內煤層間距對應實際間距為2～10 m,由開切眼一側逐步增加。

實驗過程中,每隔4min回采一次,每次推進15mm。先開采9#煤層,當9#煤層采動影響穩定后開采10#煤層。

2.2 9#煤層開采過程物理模擬結果分析

隨工作面的推進,直接頂隨采隨垮,當工作面推進至37 m時,老頂發生初次垮落,距離切眼10 m,頂板整塊垮落,呈兩段砌體梁鉸接狀;當工作面推進至55 m時,老頂發生第一次周期來壓,在采空區上方產生了明顯的裂隙;當工作面推進至76 m時,老頂發生第二次周期來壓,老頂上覆巖層也隨之下沉,并形成了明顯的離層帶。當工作面開采完畢后,老頂與以上巖層之間的離層逐漸被壓實,形成采動裂隙壓實閉合區,而在開切眼處采動裂隙的高度也略有減小,但沒有完全閉合,巖層斷裂角約為66°。

由實驗過程可知,9#煤層開采過程中,初次來壓步距為37 m,周期來壓步距約為19 m,9#煤層回采后,其頂板5#泥巖及4#砂巖完全垮落,3#石灰巖有明顯的裂隙分布,但未垮落。

2.3 10#煤層開采過程物理模擬結果分析

當工作面推進到30 m時,頂板砂巖發生初次斷裂,斷裂形式為塊狀,形成砌體梁鉸接,其上泥巖及原9#煤層上部4#與5#巖層均隨之垮落,工作面發生第一次來壓;推進到45 m時,10#煤層頂板及其上覆巖層垮落,此時原9#煤層上部3#石灰巖層斷裂,并形成“砌體梁”結構,其上覆巖層隨之彎曲下沉,工作面發生第二次來壓。

推進到58 m時,10#煤層頂板及其上部4#、5#巖層又一次垮落,而3#石灰巖層僅稍有下沉,工作面發生第三次來壓;當推進至69 m,10#煤層頂板及4#、5#巖層垮落,稍后3#石灰巖也隨之斷裂,工作面第四次來壓。工作面回采完畢后,10#煤層直接頂完全垮落至底板,采空區中部上方的裂隙逐漸被壓實,形成采動裂隙壓實閉合區。

由實驗過程可知,10#煤層的基本頂8#砂巖及原9#煤層頂板3#石灰巖均形成了周期性斷裂規律。8#砂巖初次斷裂步距為30 m,周期性斷裂步距約為13 m;3#石灰巖初次斷裂步距為45 m,周期性斷裂步距約為21 m;10#煤層開采過程中,8#砂巖與3#石灰巖的斷裂交替進行,從而形成了特殊的礦壓顯現特點。

3 工作面覆巖結構分析

3.1 9#煤層開采后圍巖情況分析

3.1.1 9#煤層開采對頂板的影響高度計算

(1)9#煤層開采完畢后,垮落帶高度根據公式(1)計算。

式中:H垮——垮落帶高度,m;

M——平均采高,取1.9 m;

Kp——巖層的碎脹系數。

9#煤層頂板3#、4#、5#巖層碎脹系數Kp分別為 1.5、1.3、1.2,將數據代入公式(1),得H垮=5.41 m。

(2)9#煤層開采完畢后,裂隙帶高度可根據經驗公式(2)計算。

式中:H裂——裂隙帶高度,m。

將數據代入公式(2),得H裂=23～34.2 m。

綜上所述,9#煤層開采完畢后,直接頂及老頂均全部垮落,3#石灰巖部分垮落或者只形成裂隙,1#及2#巖層均形成裂隙,巖層結構遭到破壞。

3.1.2 9#煤層開采對底板的影響深度計算

9#煤層開采后產生卸壓區,造成底板巖層剪切或拉伸破壞,產生較多的次生裂隙,此破壞深度越深,對10#煤層開采深度的影響越大。破壞最大深度h可以利用公式(3)計算。

式中:γ——上覆巖層平均體積力,取26 kN/m3;

H——埋深,取285 m;

L——工作面長度,取150 m;

Rc——巖體單軸抗壓強度,取33 MPa。

將相關數據代入公式(3)計算,得底板破壞最大深度h=2.97m。

即9#煤層開采完畢后,其底板厚度為2.8 m的7#泥巖結構受到破壞,而厚度為4.2 m的8#砂巖受到影響較小,巖層結構仍然較完整。

3.2 10#煤層開采前覆巖結構分析

9#煤層開采完畢后,其上覆巖層形成垮落帶和裂隙帶。采動影響穩定后,垮落帶被壓實,但遠不能達到其原始強度,可以視為散體結構,隨下層支撐體變形;裂隙帶巖層結構在開采時未完全破壞,重新壓實后,可以視為塊體結構;9#煤層底板巖層受采動影響,在一定深度的巖石有裂隙發育,但其結構也未破壞,仍為塊體結構,隨工作面的開采,會發生周期性的斷裂,并形成砌體梁結構。

因此,10#煤層工作面回采前,其上覆巖層形成了“塊體-散體-塊體”的復合基本頂結構。根據9#煤層開采對底板巖層破壞深度及垮落帶高度可知,8#砂巖為10#煤層直接基本頂,部分垮落的3#石灰巖為10#煤層間接基本頂,9#煤層垮落帶及7#泥巖為散體夾層,見圖3。

圖3 10#煤層開采前頂底板結構圖

4 礦壓顯現規律現場實測與分析

4.1 現場實測結果分析

10#-110工作面支護采用 ZY7600/1.8/3.7型液壓支架,回采過程中,安裝了5臺支架工作阻力在線監測儀,取安裝于工作面中間位置的監測儀數據進行分析,去除異常數據及移架過程中的數據變化,經處理,得出工作面回采0～150 m長度時的支架工作阻力數據,見圖4。

圖4 支架工作阻力監測數據處理結果

由圖4可以看出,工作面推進至28 m時,發生第一次來壓,支架工作阻力達到7416 kN;推進至41 m時,發生第二次來壓,此次來壓支架工作阻力較大,超過了支架的工作阻力7600 kN,安全閥開始泄壓。之后工作面來壓表現出一小一大的周期規律,推進約14 m發生一次小來壓,繼續推進約11 m發生一次大來壓,支架工作阻力分別達到5800 kN和7100 kN左右。

4.2 礦壓顯現規律分析

結合物理模擬及礦壓監測結果可以得出,10#煤層開采約28 m后,直接基本頂斷裂,散體夾層隨之垮落,間接基本頂發生彎曲下沉,支架工作阻力增大到7416 kN,工作面發生第一次初次來壓,為小初次來壓;回采至41 m時,直接基本頂再次斷裂,并形成砌體梁結構,散體夾層隨之垮落,此時,間接基本頂斷裂,上覆巖層下沉,工作面發生大面積來壓,壓力超過支架工作阻力7600 kN,安全閥開始泄壓;由于此次來壓,間接基本頂初次垮落,涉及巖層高度及支架工作阻力均大于第一次來壓,因此稱為大初次來壓。10#-110工作面小初次來壓步距為28 m,大初次來壓步距為41 m。

自發生大初次來壓之后,工作面回采至55m,直接基本頂發生周期性斷裂,散體夾層隨之垮落,間接基本頂只發生彎曲下沉,支架工作阻力約5819 kN,工作面發生小周期來壓;當工作面繼續推進至67 m時,直接基本頂及間接基本頂均發生周期性斷裂,支架工作阻力達到7162 kN,由于該次周期來壓影響上覆巖層的高度及支架工作阻力都比較大,稱為大周期來壓。結合實測數據分析結果,10#-110工作面小周期來壓步距約為14 m,大周期來壓步距約為25 m。

5 結論

針對該煤礦近距離煤層采空區下工作面礦壓顯現的問題,通過物理相似模擬及理論計算,結合工作面的礦壓實測結果,分析得出以下主要結論。

(1)近距離上煤層9#煤層開采完畢后,垮落帶高度為5.41 m,直接頂及基本頂均全部垮落,3#石灰巖形成裂隙;對底板影響深度為2.97 m,破壞了7#泥巖的巖層結構,對10#煤層的直接頂板4.2 m厚的8#砂巖影響較小。

(2)10#煤層開采前,工作面上覆巖層形成了“塊體-散體-塊體”的復合基本頂結構,回采過程中形成“小-大初次來壓”及“小-大周期來壓”的礦壓顯現規律。

(3)10#-110工作面小初次來壓步距為28 m,大初次來壓步距為41 m,小周期來壓步距約為14 m,大周期來壓步距約為25 m。

[1]錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業大學出版社,2003

[2]錢鳴高,繆協興,許家林,茅獻彪.巖層控制度的關鍵層理論[M].徐州:中國礦業大學出版社,2003

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(責任編輯 張毅玲)

Strata behavior below the gobs of close upper seams

Zhou Nan1,2,Zhang Qiang1,2,An Baifu1,2,Nie Shoujiang1,2
(1.School of Mining,China University of Mining&Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Mine safety,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

Aiming at underground pressure control under goaf of close multi-seams,according to geological conditions and layout of working face,by means of physical simulation and field measurement methods,we summed up the pressure behavior law and further analyzed overlying strata movement under the gob after close multi-seam beingmined out.Due to the up coal seam beingmined out,the overlying strata collapsed,leading to the destruction of the integrity of roof;and with the coal seam under the goaf beingmined out,the overlying strata constituted a"block-discrete-block"of the complex main roof structure,which formed"small-large first weighting and periodic weighting"behavior law as the working face advanced.

close multi-seam,coalmining,working face pressure,strata behaviors,overlying strata movement,numerical simulation

TD323

A

國家自然科學基金面上項目(51074165)。

周楠(1988-),男,中國礦業大學采礦工程碩士研究生,主要研究方向為采動巖體控制及固體廢棄物充填采煤技術。