淺埋近距離煤層間距對(duì)工作面來(lái)壓特征的影響研究*
相關(guān)鏈接： 中國(guó)安全網(wǎng) 中國(guó)質(zhì)量網(wǎng) 中國(guó)論文網(wǎng) 中國(guó)資訊網(wǎng)
陳 夢(mèng)1，2 朱衛(wèi)兵1 溫嘉輝1 張冬冬1
（1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116；2．神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司榆家梁煤礦，陜西省榆林市，719316）
摘 要 采用理論分析、物理模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，研究了石圪臺(tái)煤礦不同間距的近距離煤層綜采面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。結(jié)果表明淺埋特近距離煤層工作面的周期來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度較小，動(dòng)載系數(shù)小，安全閥開啟率低，礦壓顯現(xiàn)不強(qiáng)烈。另外，8m層間距區(qū)域?qū)娱g有關(guān)鍵層，工作面礦壓顯現(xiàn)受層間關(guān)鍵層控制；2m層間距區(qū)域?qū)娱g不存在關(guān)鍵層，由于上煤層基本頇層位低，經(jīng)重復(fù)采動(dòng)難以形成結(jié)構(gòu)，工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律受基本頂之上一層關(guān)鍵層控制，且層間無(wú)關(guān)鍵層區(qū)域工作面礦壓顯現(xiàn)比有關(guān)鍵層時(shí)弱。
關(guān)鍵詞 淺埋煤層近距離煤層開采關(guān)鍵層礦壓顯現(xiàn) 中圖分類號(hào) TD323
我國(guó)大部分煤田都有煤層群賦存，由于煤層間距較小，下行開采時(shí)下煤層工作面易發(fā)生漏矸冒頂事故，嚴(yán)重時(shí)工作面被迫停產(chǎn)，甚至綜采設(shè)備被埋無(wú)法撤出，造成嚴(yán)重的安全隱患和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。國(guó)內(nèi)學(xué)者圍繞大同、開灤等礦區(qū)對(duì)非淺埋近距離煤層綜采面礦壓進(jìn)行了大量研究，而神東礦區(qū)淺埋近距離煤層綜采面礦壓方面的研究主要集中于特殊條件下（如工作面出煤柱、過溝谷地形和厚風(fēng)積沙區(qū)域等）的安全開采，在煤層間距小至0.8～8m特近距離條件下工作面過常規(guī)采空區(qū)的來(lái)壓特征研究較少，且神東礦區(qū)尚無(wú)此方面的數(shù)據(jù)積累。因此，研究神東礦區(qū)淺埋特近距離煤層工作面過常規(guī)采空區(qū)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律尤為重要。本文圍繞石圪臺(tái)煤礦淺埋特近距離煤層工作面展開研究，對(duì)不同層間距區(qū)域工作面礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并進(jìn)行物理模擬試驗(yàn)，研究結(jié)果為神東礦區(qū)類似條件下綜采工作面的支架選型和安全回采提供參考。
1試驗(yàn)工作面基本條件
石圪臺(tái)煤礦12106和12108綜采工作面均位于1-2煤層一盤區(qū)，12106工作面走向長(zhǎng)428.2 m，傾斜寬280.2 m，煤層厚度2.62～2.95 m，設(shè)計(jì)采高2.8 m，與上覆已采1-2上煤層間距為0.8～13.0 m。12108工作面走向長(zhǎng)334.5 m，傾斜寬149.5 m，煤層厚度為2.62～3.24 m，平均厚度2. 94 m，設(shè)計(jì)采高2.9 m，12108工作面與已采1-2上煤層間距為0.9～7 m。12106和12108綜采工作面煤層傾角均為10～30，整體都呈正坡回采，局部有波狀起伏，均屬特近距離煤層開采，采用走向長(zhǎng)壁后退式一次采全高綜合機(jī)械化采煤法，工作面頂板采用全部垮落法管理。12106工作面采用ZY12000/18/35D兩柱掩護(hù)式液壓支架，12108工作面采用ZY8600/17/35D兩柱掩護(hù)式液壓支架。兩綜采工作面與上覆已采1-2上煤層間距均隨回采工作面的推進(jìn)呈增大趨勢(shì)，如圖1所示。
2不同層間距區(qū)域工作面礦壓顯現(xiàn)實(shí)測(cè)
2.1礦壓觀測(cè)方案
為便于對(duì)比分析不同層間距區(qū)域工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的差異，特選取12108工作面2m層間距區(qū)域和12106工作面8m層間距區(qū)域進(jìn)行礦壓觀測(cè)。在12106和12108綜采面各布置5個(gè)尤洛卡綜采記錄儀，全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓支架工作阻力變化。其中，12106工作面的5個(gè)尤洛卡綜采記錄儀分別安裝在40 #、60 #、80 #、100 #和120 #液壓支架上；12108工作面的5個(gè)尤洛卡綜采記錄儀分別安裝在15 #、30 #、45 #、60 #和70 #液壓支架上，見圖1。
同時(shí)，結(jié)合工作面綜采設(shè)備攜帶的PM3液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及來(lái)壓時(shí)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的礦壓顯現(xiàn)分析不同層間距區(qū)域工作面呈現(xiàn)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。2.2 2 m層間距區(qū)域工作面來(lái)壓特征
12108綜采面初采階段大部分區(qū)域?qū)娱g距為2m。在此區(qū)域工作面礦壓特征為初次垮落步距為24.5 m，來(lái)壓期間支架最大循環(huán)末阻力為8566 k N，平均循環(huán)末阻力為8050 k N，動(dòng)載系數(shù)1.3，來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度2.4 m。周期來(lái)壓階段實(shí)測(cè)周期來(lái)壓步距最大為16.8 m，最小為7.2 m，平均12.8 m，來(lái)壓期間支架最大循環(huán)末阻力為8327k N，平均循環(huán)末阻力為7698 k N，動(dòng)載系數(shù)1.24，平均來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度2. 48 m，來(lái)壓期間液壓支架活柱下縮量平均為6 mm，安全閥基本無(wú)開啟，工作面頂板完整，煤壁無(wú)片幫，工作面礦壓顯現(xiàn)緩和。2.3 8 m層間距區(qū)域工作面來(lái)壓特征
實(shí)測(cè)12106綜采面8m層間距區(qū)域的周期來(lái)壓步距9. 5～11.4 m，平均為10.0m;來(lái)壓期間支架最大循環(huán)末阻力為11980 k N，平均循環(huán)末阻力為10735 k N，動(dòng)載系數(shù)1.25，平均來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度為1. 96 m，非來(lái)壓期間支架循環(huán)末阻力為8402 k N，來(lái)壓期間液壓支架活柱下縮量平均為12mm，安全閥開啟率為16%，頂板破碎，偶爾有輕微漏矸現(xiàn)象，煤壁片幫深度100～300 mm，工作面礦壓顯現(xiàn)比2m層間距區(qū)域稍大。
2.4 不同層間距區(qū)域礦壓顯現(xiàn)特征對(duì)比
對(duì)比2m、8m層間距區(qū)域礦壓顯現(xiàn)特征可知：2m層間距區(qū)域周期來(lái)壓步距和來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度均比8m層間距區(qū)域略微偏大，但周期來(lái)壓期間液壓支架活柱下縮量和安全閥開啟率則比8m層間距區(qū)域明顯偏小，見表1。和常規(guī)工作面礦壓顯現(xiàn)特征相比，淺埋特近距離工作面的來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度小，動(dòng)載系數(shù)小，安全閥開啟率低，工作面礦壓顯現(xiàn)不強(qiáng)烈。
3層間距對(duì)來(lái)壓特征的影響
3.1 關(guān)鍵層位置判別
根據(jù)巖層控制的關(guān)鍵層理論可知：當(dāng)煤層上覆巖層中存在多層堅(jiān)硬巖層時(shí)，各堅(jiān)硬巖層因其變形和破斷特征不同而對(duì)其采場(chǎng)頂板巖層運(yùn)動(dòng)所起的作用不同。特近距離煤層開采時(shí)，兩煤層之間的巖層巖性對(duì)下煤層采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律有顯著影響。結(jié)合12106和12108工作面覆巖特征，選取K38和KB48兩鉆孔柱狀，應(yīng)用關(guān)鍵層判別軟件計(jì)算關(guān)鍵層位置，其中鉆孔K38位于12106工作面8m層間距區(qū)域，鉆孔KB48揭示上下煤層間距為3.2 m，但距離12108工作面2m層間距區(qū)域最近，如圖1所示。
根據(jù)K38鉆孔柱狀及關(guān)鍵層判別結(jié)果可知：8m層間距區(qū)域?qū)娱g有一層6.19 m厚的粉砂巖屬于亞關(guān)鍵層，另外，1-2上煤層覆巖層也存在2層關(guān)鍵層，即3. 93 m厚的細(xì)粒砂巖是亞關(guān)鍵層，5. 95 m厚的細(xì)粒砂巖為主關(guān)鍵層，見表2。根據(jù)KB48鉆孔柱狀及關(guān)鍵層判別結(jié)果可推斷2m層間距區(qū)域?qū)娱g不存在關(guān)鍵層，而1-2上煤層覆巖層中存在4層關(guān)鍵層，即4.19 m厚的細(xì)粒砂巖、4.02m厚的中粒砂巖和4. 30 m厚的細(xì)粒砂巖均為亞關(guān)鍵層，11 m厚的細(xì)粒砂巖為主關(guān)鍵層，見表3。因此，12106綜采工作面末采階段煤層間距較大，層間有關(guān)鍵層；12108工作面初采階段，層間距僅有2m，層間無(wú)關(guān)鍵層。
3.2 關(guān)鍵層周期破斷步距分析
巖層的破斷是由巖層自身強(qiáng)度和承載上覆載荷及自身重量決定的，通常關(guān)鍵層的周期破斷步距按懸臂梁式折斷計(jì)算：
式中：L——關(guān)鍵層的周期破斷步距，m；
h------關(guān)鍵層厚度，m;
RT-----關(guān)鍵層的極限抗拉強(qiáng)度，M Pa：
q-------作用在關(guān)鍵層上的載荷，M Pa。
由K38鉆孔巖石力學(xué)參數(shù)可知，1-2上煤層與1-2煤層之間的亞關(guān)鍵層參數(shù)h為6.19 m，RT為1.8 M Pa，q為0.22 M Pa，將參數(shù)代人式(1)得破斷步距為10.2 m。
由KB48鉆孔巖石力學(xué)參數(shù)可知，1-2上煤層基本頂為4.19 m厚細(xì)粒砂巖的亞關(guān)鍵層，其力學(xué)參數(shù)h為4.19 m，RT為9 M Pa，q為0.32 M Pa，將參數(shù)代入式(1)得破斷步距為12.8 m。
由相關(guān)文獻(xiàn)可知，石圪臺(tái)煤礦12102工作面4m層間距區(qū)域?qū)娱g無(wú)關(guān)鍵層，上煤層基本頂層位較低，其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律主要受上煤層基本頂之上關(guān)鍵層控制。鉆孔KB48揭示1-2上煤層直接頂較薄，基本頂層位較低，因此計(jì)算第二層亞關(guān)鍵層中粒砂巖的破斷步距，其參數(shù)h為4. 02 m，q為0. 47 M Pa，當(dāng)抗拉強(qiáng)度取最大值時(shí)R T為14 M Pa，將參數(shù)代人式(1)得破斷步距L為12. 67 m。
結(jié)合石圪臺(tái)煤礦12106工作面8m層間距區(qū)域和12108工作面2 m層間距區(qū)域的礦壓實(shí)測(cè)分析：層間無(wú)關(guān)鍵層時(shí)工作面的周期來(lái)壓步距和來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度都比層間有關(guān)鍵層時(shí)大，而活柱下縮量和安全閥開啟率相對(duì)于層間有關(guān)鍵層時(shí)都較小，層間無(wú)關(guān)鍵層時(shí)工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度總體比有關(guān)鍵層時(shí)弱。12106工作面8m層間距區(qū)域平均周期來(lái)壓步距為10.0 m，與兩煤層之間6.19 m厚的粉砂巖亞關(guān)鍵層破斷步距10.2 m較吻合，說明12106工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律受該層間關(guān)鍵層控制。12108工作面2m層間距區(qū)域平均周期來(lái)壓步距為12.8 m，與1-2上煤層基本頂?shù)?.19 m厚細(xì)粒砂巖亞關(guān)鍵層破斷步距12.8 m-致，而通常認(rèn)為近距離煤層重復(fù)采動(dòng)時(shí)下煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律受上煤層基本頂控制，但考慮到上煤層基本頂層位低，經(jīng)重復(fù)采動(dòng)難以形成結(jié)構(gòu)，且下煤層周期來(lái)壓步距與第二層亞關(guān)鍵層的破斷步距12. 67 m也很相近，因此不能傳統(tǒng)地認(rèn)為下煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律受上煤層基本頂控制。
4層間距對(duì)工作面礦壓規(guī)律影響的相似材料模擬試驗(yàn)
4.1 相似材料模擬方案設(shè)計(jì)及有關(guān)參數(shù)的選取
為驗(yàn)證上述理論計(jì)算，并深入研究特近距離工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，采用相似材料模擬試驗(yàn)進(jìn)行研究。根據(jù)上述兩鉆孔柱狀及關(guān)鍵層判別結(jié)果可知：8m層間距區(qū)域?qū)娱g有關(guān)鍵層，1-2上煤層覆巖中存在2層關(guān)鍵層；2m層間距區(qū)域?qū)娱g無(wú)關(guān)鍵層，1-2上煤層覆巖中存在4層關(guān)鍵層。結(jié)合石圪臺(tái)煤礦煤層淺埋深、特近距離賦存條件，將覆巖簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)了上煤層覆巖中均有3層關(guān)鍵層的物理模型。層間有關(guān)鍵層的物理模型層間距定為8m，即方案1；根據(jù)鉆孔 KB48揭示層間巖層厚度以及考慮到層間巖層厚度較小時(shí)經(jīng)重復(fù)采動(dòng)模型難以穩(wěn)定，特將層間無(wú)關(guān)鍵層的物理模型層間距定為3m，即方案2。相似材料模型選用平面應(yīng)力模型架進(jìn)行試驗(yàn)，模型架尺寸為2.5 m×0.2 m×2.0 m（長(zhǎng)×寬×高），模型的幾何相似比為1：100，密度相似比為1：1.6，應(yīng)力相似比為1：160。根據(jù)相似理論和牛頓第二定律確定各巖層的有關(guān)力學(xué)參數(shù)，并選擇合適的相似材料依次鋪設(shè)各巖層，兩物理模型各巖層相似材料配比見表4、表5。
物理模擬相似材料主要由河砂、碳酸鈣、石膏和水等組成，按一定的配比混合攪拌均勻鋪設(shè)模型，層間撒一定量云母分隔，煤層中可加入少量煤粉。模型建造完畢后即對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，適時(shí)逐步拆除擋護(hù)板，當(dāng)模型巖層的力學(xué)性質(zhì)、含水率和容重都滿足相似準(zhǔn)則時(shí)，開始回采試驗(yàn)。模型煤層開采時(shí)上煤層兩側(cè)各留200 mm邊界煤柱，下煤層兩側(cè)各留300 mm邊界煤柱，煤層開采中利用自制的模擬支架監(jiān)測(cè)頂板壓力。
4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
模型開采時(shí)按步距20～30 mm、時(shí)間間隔20 min依次開挖上下煤層，上煤層開采完畢，隔一天待覆巖穩(wěn)定后開始回采下煤層。方案1模型中上下煤層間有層厚度為50 mm的關(guān)鍵層，當(dāng)下工作面推進(jìn)至560 mm、650 mm、750 mm和900mm處時(shí)可觀察到層間關(guān)鍵層控制覆巖明顯運(yùn)動(dòng)，此時(shí)對(duì)應(yīng)層間關(guān)鍵層破斷塊體長(zhǎng)度依次為90 mm、100 mm和150 mm，平均113 mm，而模擬支架監(jiān)測(cè)到頂板來(lái)壓步距依次為100 mm、100 mm和150 mm，平均116 mm，兩者長(zhǎng)度基本吻合，說明下煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律受層間關(guān)鍵層控制。方案2模型回采過程中，亞關(guān)鍵層1破碎較嚴(yán)重，大部分塊體長(zhǎng)度50 mm左右，當(dāng)下工作面推進(jìn)至600 mm、750 mm，870 mm、 1000 mm、1120 mm和1260 mm等處時(shí)可明顯觀察到亞關(guān)鍵層2控制上覆巖層一起移動(dòng)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的亞關(guān)鍵層2形成的破斷塊體長(zhǎng)度依次為110 mm、120 mm、140 mm、100 mm和170 mm，平均為128 mm，而利用模擬支架監(jiān)測(cè)到頂板來(lái)壓步距依次為150mm、120 mm、130 mm、120 mm和140 mm，平均來(lái)壓步距為132 mm，說明下煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律主要受亞關(guān)鍵層2控制。
物理模擬試驗(yàn)表明：特近距離煤層開采時(shí)，層間有關(guān)鍵層時(shí)下煤層工作面礦壓顯現(xiàn)主要由該層間關(guān)鍵層控制；層間無(wú)關(guān)鍵層時(shí)，由于上煤層基本頂層位較低，受重復(fù)采動(dòng)影響破碎嚴(yán)重難以形成承載結(jié)構(gòu)，此時(shí)下煤層工作面礦壓顯現(xiàn)受上煤層基本頂之上關(guān)鍵層的控制。
5結(jié)論
(1)石圪臺(tái)礦淺埋特近距離煤層綜采面礦壓顯現(xiàn)不強(qiáng)烈，工作面周期來(lái)壓步距變化不大，來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度小，動(dòng)載系數(shù)小，工作面煤壁片幫漏矸不嚴(yán)重。
(2)近距離煤層下行開采中，層間存在關(guān)鍵層時(shí)，下煤層工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律受層間關(guān)鍵層控制；層間無(wú)關(guān)鍵層時(shí)，下煤層工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律通常受上煤層基本頂控制，但由于上煤層基本頂層位低，受重復(fù)采動(dòng)影響破碎嚴(yán)重難以形成承載結(jié)構(gòu)，此時(shí)下煤層工作面礦壓顯現(xiàn)受上煤層基本頂之上關(guān)鍵層控制，而且層間無(wú)關(guān)鍵層的工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度比層間有關(guān)鍵層時(shí)弱。
下一篇:返回列表
