急倾斜特厚煤层水平分层开采矿压特征

第31卷第5期

2006年10月煤 炭 学 报J OURNAL OF C H I N A COAL SOC I ETY V o. l 31 N o . 5 O ct . 2006 文章编号:0253-9993(2006) 05-0558-04

急倾斜特厚煤层水平分层开采矿压特征

鞠文君1, 2, 李 前, 魏 东32, 3, 戴华阳4

(11北京交通大学土木建筑工程学院, 北京 100044; 21天地科技股份有限公司开采所事业部, 北京 100013;

限公司, 甘肃平凉 744100; 41中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院, 北京 100083) 31甘肃华亭煤电股份有

摘 要:运用相似材料模拟、数值模拟、现场实测等研究手段, 对急倾斜特厚煤层分层开采的矿压特征进行了研究, 初步揭示了急倾斜特厚煤层开采顶板岩层移动的复杂性、周期来压的双重性、陷落区的叠加性和动态性、应力场和位移场的不均衡性等特有规律, 分析了巷道支护困难、易底臌、动力冲击等矿压现象的原因.

关键词:急倾斜特厚煤层; 水平分层开采; 矿压显现; 岩层移动

中图分类号:TD8231213 文献标识码:A

Pressure character i n cavi ng steep -i ncli ned and extre m el y th i ck coal

sea m w ith horizonta lly grouped top -coal dra w i ng m i ning m ethod

J U W en -jun , L I Q ian , WE I Dong , DA IH ua -yang 1, 232, 34

(11School of C i v ilE ng ineeri ng &Arc h itect ure , B eiji ng J i aotong Un i v e rsit y, B eijing 100044, Ch ina; 21B eiji ng M ining T e chnolo gy D e part m en t , T i and i S cie nce &T ec hnology C o . L t d. , Be i jing 100013, Ch i na; 31G an su H uati ng C oa lE l ec t ricity Co. L t d, P ing liang 744100, Ch ina; 41School of R e -source and S afet y E ng i n ee ring, Ch ina Un i v e rsi y ofM i n i ng and T ec hnology (Beijing ), B eijing 100083, Ch i na )

Abst ract :S i m ilar m ateria l tes, t num erica l si m ulati o n and spo t observation were used for the pressure character study , and so m e la w w ere reported , just as the co mp licity o f roo fm ove m en, t the dualis m of peri o dic press , the de -ve lopm ents of fa llen area , the asy mm etr y of stress field and d isplace m en t fie l d , and analyzed t h e cause o f roadw ay support d ifficu lty , floor dr um up easil y and rock burs, t e tc .

K ey w ords :steep -i n cli n ed and ex tre m e l y th ick coa l sea m ; horizonta lly g r ouped top -coa l dra w i n g m i n i n g m ethod ; pressure e m er ge ; roo fm ove m ent

甘肃华亭煤电股份有限公司所属的华亭煤矿、砚北煤矿, 现开采5号煤层, 倾角45b , 平均厚度51151m, 煤层单轴强度10~13MPa , 属急倾斜特厚煤层. 直接顶为砂岩或粉砂岩, 厚度1126~1915m, 单轴抗压强度40M Pa 左右, 易垮落, 块度大; 老顶为粉砂岩, 厚度50m 左右, 较致密坚硬. 底板为砂岩和砂质泥岩, 单轴抗压强度27~57M Pa . 采用水平分层综采放顶煤开采工艺[1], 工作面沿走向推进, 长度45~53m, 分层厚度为15m. 回风巷和运输巷分别沿煤层顶、底板布置(称顶板巷、底板巷), 完全置于煤体中(全煤巷道). 两矿开采最深已达500m, 随着开采深度的增加和开采强度的加大, 巷道维护越来越困难, 经常发生巷帮推移、顶板下沉、底臌等现象, 并几次发生强烈动压冲击, 造成人员伤亡和巷道损毁, 严重影响了矿井的安全生产.

[2]急倾斜特厚煤层水平分层综放开采, 顶板岩层破坏、移动具有特殊性和复杂性, 因而造成其矿压

收稿日期:2005-12-26

作者简介:鞠文君(1965-), 男, 内蒙古赤峰人, 博士研究生, 研究员. Te:l 010-84263128, E-m ai:l w en j un @j 2631net

规律的特殊性. 本文综合运用相似材料模拟、数值模拟、现场实测等研究手段, 对急倾斜特厚煤层水平分层综放开采的岩层移动及矿压显现规律进行了研究, 为两矿的矿压防治工作奠定了基础.

1 相似模拟研究

相似材料模拟实验的主要目的在于模拟顶板岩层的垮落移动规律, 以便分析和解释煤层开采过程中矿压显现的成因. 采用天地科技股份有限公司开采所事业部巷道实验室的平面模型试验台, 规格为214m @0116m @110m, 模型比例为1B 500, 模拟倾向断面. 从标高1350m (地表标高1450m 左右) 由上向下分层开采, 每层采厚15m, 共开采23个分层, 累计采出煤层垂高350m.

111 顶板岩层垮落形态

每采1个分层, 测量、记录岩层的移动和破坏状况. 图1为不同开采深度岩层垮落破坏形态的照片[3]. 通过观测和分析模型实验过程, 得到如下结果

:

图1 不同开采深度岩层垮落破坏形态

F i g 11 S tratu m cav i ng fa il ure form w it h d ifferent m i n i ng dept h

(a) 开采11个分层(垂高165m );

(c) 开采16个分层(垂高240m ); (b ) 开采12个分层(垂高180m ); (d) 开采23个分层(垂高350m )

(1) 每一分层采放后, 首先引起其上方已采分层形成的垮落煤岩体的滑落, 形成空洞, 又引起更大范围岩层垮落, 岩层破坏范围进一步向上及顶板方向扩展, 最终达到地表(图1).

(2) 顶板岩层的垮落具有周期性, 一般开采2~5个分层有一次大的岩层移动, 每次大移动后, 有一段相对平稳阶段. 深部开采阶段性岩移周期长、影响范围大, 来压更强烈. 急倾斜特厚煤层分层开采, 顶板岩层在倾斜方向周期性垮落是其特有的矿压规律, 也是造成巷道动压冲击的重要原因.

(3) 顶板岩层的垮落有一定的滞后性, 由于采空区垮落煤岩体的充填作用和顶板岩层破坏的时间滞后效应, 采过2~4个分层后, 上部老顶岩层才开始垮落(图1).

(4) 顶板岩层垮落区有一定范围, 浅部阶段顶板一侧岩层的垮落角为85b (图1(b) ), 随开采高度的增加, 岩层的垮落角越来越大, 当开采高度达到350m 时, 岩层垮落角达到93b (图1(d)

).

(5) 急倾斜煤层开采不同于水平煤层开采随工作面的推进采空区连续平铺扩展, 而是随采深的增加, 沿着煤层底板不断向深部和顶板方向扩展, 形成一个

不断扩大和移动的动态陷落漏斗(图1(b), (d) ).

112 顶板岩层移动规律

急倾斜煤层顶板岩层移动比较复杂, 不同于水平

煤层开采顶板岩移主要是垂直方向, 而是存在重力下

沉、沿法线向底板移近、沿底板向下滑移等多种可能.

图2为开采高度350m 时模型各观测点的移动矢量.

直接顶岩层垮落后, 随以下分层开采以沿底板向

下滑落为主. 老顶及以上岩层初期沿断裂向采空区方. 图2 模型观测点的移动矢量图F ig 12 The vector diag ra m of t he model observati on m ark

采用水平分层采煤法, 每一分层的采空区与其上方原采空区形成总的采空区, 总采空区内的岩层垮落后呈梯形垒砌(也可称为某种梁或拱, 如图1(a) 所示). 垮落岩梁存在一个回转过程:顶板刚垮落时呈水平形态, 随着下部分层的回采, 部分支撑岩梁的松散煤岩体下滑, 演变为倾斜垮落形态, 每段顶板岩体均经历由水平到倾斜垮落形态的变化, 这是急倾斜特厚煤层水平分层开采上覆岩层移动的又一特殊规律.

每一分层开采后, 其上的直接顶岩层最先垮落, 并且位移也最大, 上方岩层随着距开采分层距离的增大, 其位移逐渐减小, 反映了岩石的碎胀性对采空区的充填作用和采动对上覆岩层位移影响的衰减性. 2 数值模拟研究

采用离散元数值计算软件, 建立倾向模型, 模拟由上至下分层开采时岩层、地表移动的状况及岩层应力状况, 与相似模拟实验及现场实测形成对比.

211 岩层移动

图3(a) 为开采至1300m 时, 采空区上方岩体垮落状态及移动矢量图. 与相似材料模型实验结果具有相似性.

212 采动应力场及巷道受力分析

图3(b) 为数值模拟得出的围岩平均主应力分布. 分析数值模拟结果得到:

(1) 煤层开采前, 煤岩体内最大主应力基本沿煤层法线方向. 煤体采出后,

采空区内主应力方向变为垂直向下, 两主应力大

小接近; 下部未开采煤层及

其顶板岩层最大主应力基本

沿竖直方向, 竖向主应力远

大于平向主应力.

(2) 深部开采的采动应

力要大于浅部开采, 但在应

力分布形态上具有相似性.

(3) 急倾斜特厚煤层开

采, 大量煤体采出后, 引起图3 数值模拟岩层移动矢量图和岩层的平均主应力分布F i g 13 T he vec t o r d i agra m and t he averag e m a i n stress o f strata m ove m ent

上方岩层垮落和移动, 应力场重新分布, 采空区内应力降低, 下部煤岩层内产生应力集中, 特别是临近采空区的顶板岩层, 受应力集中程度更高, 致使顶板巷维护困难.

(4) 在开采下边界底板一侧, 由于煤层采出后, 底板失去约束, 向采空区方向挤压, 竖向主应力明显低于顶板一侧, 但仍有较大水平主应力的作用, 这是导致底板巷容易底臌的重要原因.

3 现场观测研究

华亭、砚北两矿在生产过程中对矿压显现积累了许多直接经验, 近期对巷道煤柱应力、锚杆、锚索受力、巷道变形等进行了全面观测, 综合分析生产经验和矿压观测数据, 得到如下规律:

(1) 矿压显现随深度增加而强烈. 采深不超过300m 时, 巷道矿压显现不明显, 采用工字钢支架可维护巷道正常使用; 采深超过350m , 工字钢、U 型钢不能满足支护要求, 采用高强度锚杆、锚索支护后, 巷道变形得到有效控制[4]; 采深超过400m 后, 采用高强度锚杆、锚索附加工字钢支护, 仍出现强烈变形、底臌及动力冲击现象.

(2) 随采深增加, 巷道矿压显现表现出周期性. 每向下开采3~5个分层, 采深每增加一定数值, 上部厚层坚硬老顶垮落, 造成强烈矿压显现. 华亭煤矿几次大的巷道突然来压分别发生在504, 509, 603工,

(3) 矿压显现主要表现为巷道变形破坏、底臌和动压冲击. 顶板巷压力明显大于底板巷, 几次大的动压冲击都发生在顶板巷.

(4) 巷道变形具有不对称性. 顶板巷主要表现为来自顶板方向的挤压变形和顶板侧煤帮的破坏, 底板巷主要表现为底臌.

(5) 工作面采动对本分层巷道的影响明显. 超前影响距离70m 左右, 激烈影响距离30m 左右. 工作面超前支承压力有周期性, 顶板巷相对底板巷表现更强烈, 周期来压步距40m 左右. 回采工作面支架压力不大, 周期来压不明显.

(6) 上分层工作面的采动对下分层巷道有明显影响. 急倾斜分层开采工作面短, 一

般采用多分层同采的方式达到较大的矿井生产能力, 通常是3个综采工

作面、4个综掘工作面分布在3~5个分层内作业, 每条

巷道一般要受2~3次回采影响. 上分层工作面采动超前

影响范围为80m 左右, 激烈影响范围为40m 左右, 滞

后影响范围为50m 左右. 图4为砚北煤矿105工作面开

采时对下方106工作面顶板巷煤体应力的影响曲线. 同

顶板巷相比, 底板巷受上层工作面采动影响较小, 上层

工作面采过后, 对下层工作面有明显的应力释放作用. 图4 砚北矿106顶板巷煤柱应力观测结果

F i g 14 T he curves o f stress for m Y anbei coal

m i ne N o 1106road w ay 4 结 论

(1) 急倾斜煤层顶板岩层移动复杂. 顶板岩层移动存在向重力下沉、沿法线向底板移近、沿底板向下滑移等多种形式. 直接顶岩层以沿底板向下滑落为主, 老顶及以上岩层初期主要是沿断裂向采空区方向移动, 后期随采空区整体向下滑移. 急倾斜煤层开采形成的采空区是一个不断扩大和移动的动态陷落漏斗. 采空区岩层作为动态载荷, 持续作用在开采分层上方, 是工作面及巷道压力显现的原因之一.

(2) 急倾斜特厚煤层开采矿压显现具有明显的不均匀性. 这与煤层开采过程中顶板岩层移动的不均匀性和应力场分布的不均匀性密切相关. 急倾斜特厚煤层开采矿压显现主要表现为巷道变形破坏、底臌和动压冲击. 顶板巷压力明显大于底板巷, 几次大的动压冲击都发生在顶板巷. 巷道变形具有不对称性, 顶板巷主要表现为来自顶板方向的挤压变形和顶板侧煤帮的破坏, 底板巷主要表现为底臌.

(3) 急倾斜特厚煤层开采矿压显现比倾斜煤层激烈得多. 急倾斜特厚煤层采出煤量多, 采空区不是平铺开来而是在垂直方向不断叠加, 由此造成上方岩层移动幅度大、动态性强, 容易形成冲击载荷. 大体积煤体采出, 在采场周围产生高度应力集中, 特别是顶板巷附近, 应力集中程度更高, 致使顶板巷难维护; 底板巷周围, 煤层采出后竖向应力得到释放, 仍受到较大水平应力的作用, 易发生底臌.

(4) 急倾斜煤层开采周期来压具有双重性. ①沿走向当回采工作面推进40m 左右时, 顶板沿倾向断裂引起的周期来压; ②沿倾斜方向向下采过几个分层后, 厚层坚硬老顶/悬臂0达到一定长度, 沿走向大断裂造成的周期来压. 后者影响范围大, 来压更强烈, 是形成动力冲击的重要原因, 更具有危害性.

(5) 急倾斜煤层分层开采上层采动对下方工作面有明显影响. 超前影响范围为80m 左右, 激烈影响范围为40m 左右, 滞后影响范围为50m 左右. 当采动影响与周期来压叠加时, 最易发生动压冲击. 参考文献:

[1] 李 前, 魏 东, 杨世杰. 急倾斜特厚煤层综放开采实践[J].煤炭科学技术,

[2] 石平五. 急倾斜煤层老顶破断运动的复杂性[J].矿山压力与顶板管理,

[R ].2004.

[4] 鞠文君. 急倾斜特厚煤层水平分层开采巷道支护技术[J].煤炭科学技术, 2006, 34(6):20~23. 2002, 30(8) :17~19. 26~28. 1999, 16(3/4):[3] 华亭煤电股份有限公司, 煤炭科学研究总院开采所事业部. 急倾斜特厚煤层深部开采矿压规律研究与应用技术