近距离煤层采空区下工作面矿压显现规律研究＊

周 楠张 强安百富聂守江

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221116;2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221008)

近距离煤层采空区下工作面矿压显现规律研究＊

周 楠1,2张 强1,2安百富1,2聂守江1,2

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221116;2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221008)

针对近距离煤层采空区下开采采场矿压控制问题,根据某煤矿地质条件及工作面布置方式,采用物理相似模拟与现场实测相结合的研究方法,总结了近距离煤层上煤层开采完毕后,采空区下工作面回采过程中矿压显现规律,进一步分析了采空区下采场覆岩运动规律;由于上煤层开采造成上覆岩层垮落,老顶岩层完整性受到破坏,采空区下煤层开采时,工作面采场覆岩构成“块体-散体-块体”的复合老顶结构,从而使工作面开采过程中形成“小-大初次来压及周期来压”的矿压显现规律。

近距离煤层 煤层开采 工作面矿压 矿压显现 覆岩运动 物理相似模拟

在近距离煤层的开采中,由于上煤层开采后,其上覆岩层垮落或裂隙发育,当开采下煤层时,覆岩结构与单煤层开采有较大的区别,采空区下工作面的矿压显现也因此表现出不同的特征。

本文结合某煤矿10#-110工作面的采矿地质条件,采用物理相似模拟、理论分析及现场实测的方法,分析了上层煤开采完毕后,采空区下工作面上覆岩层的结构特征及移动规律,在此基础上,研究了工作面的矿压显现规律,为类似条件的近距离煤层采空区下工作面开采提供理论依据和借鉴。

1 采矿地质条件

某煤矿主采煤层为9#和10#煤层,9#煤层位于太原组中部,平均倾角为6°,煤层厚度0.35～3.1 m,平均1.9 m,含1～3层夹矸,在采区内煤层不稳定。10#煤层位于太原组中下部,上距9#煤层2～10 m,平均7 m,平均倾角7°,煤层厚度0.89～3.5 m,平均2.83 m,含0～3层夹矸,为层位稳定的可采煤层。

上部9#煤层已采空,原工作面倾斜长度为170 m,各工作面之间留设煤柱宽20 m。为减少9#煤层遗留煤柱产生的集中应力对10#煤层回采的影响,10#煤层工作面与9#煤层工作面呈内错距15 m布置,10#煤层开切眼在9#煤层开切眼外15 m。10#-110工作面为10#煤层首采面,其煤层平均厚度为2.83 m,平均倾角5°,倾斜长度为140 m,走向长度为615 m。9#和10#煤层顶底板情况见表1,工作面布置见图1。

表1 9#和10#煤层顶底板情况

图1 10#-110工作面布置图

2 工作面开采过程物理模拟分析

2.1 物理模型建立及实验步骤设计

根据物理相似模拟理论,按照该矿的矿体赋存状况及实验待开采的范围,建立比例为1∶100物理模型见图2。

模型高度1.09 m,包括9#煤层和10#煤层至关键层的所有岩层,关键层上覆岩层简化为0.02 MPa的均布载荷,模型宽度为2.0 m,能使9#煤层和10#煤层工作面基本达到充分采动。模型内煤层间距对应实际间距为2～10 m,由开切眼一侧逐步增加。

实验过程中,每隔4min回采一次,每次推进15mm。先开采9#煤层,当9#煤层采动影响稳定后开采10#煤层。

2.2 9#煤层开采过程物理模拟结果分析

随工作面的推进,直接顶随采随垮,当工作面推进至37 m时,老顶发生初次垮落,距离切眼10 m,顶板整块垮落,呈两段砌体梁铰接状;当工作面推进至55 m时,老顶发生第一次周期来压,在采空区上方产生了明显的裂隙;当工作面推进至76 m时,老顶发生第二次周期来压,老顶上覆岩层也随之下沉,并形成了明显的离层带。当工作面开采完毕后,老顶与以上岩层之间的离层逐渐被压实,形成采动裂隙压实闭合区,而在开切眼处采动裂隙的高度也略有减小,但没有完全闭合,岩层断裂角约为66°。

由实验过程可知,9#煤层开采过程中,初次来压步距为37 m,周期来压步距约为19 m,9#煤层回采后,其顶板5#泥岩及4#砂岩完全垮落,3#石灰岩有明显的裂隙分布,但未垮落。

2.3 10#煤层开采过程物理模拟结果分析

当工作面推进到30 m时,顶板砂岩发生初次断裂,断裂形式为块状,形成砌体梁铰接,其上泥岩及原9#煤层上部4#与5#岩层均随之垮落,工作面发生第一次来压;推进到45 m时,10#煤层顶板及其上覆岩层垮落,此时原9#煤层上部3#石灰岩层断裂,并形成“砌体梁”结构,其上覆岩层随之弯曲下沉,工作面发生第二次来压。

推进到58 m时,10#煤层顶板及其上部4#、5#岩层又一次垮落,而3#石灰岩层仅稍有下沉,工作面发生第三次来压;当推进至69 m,10#煤层顶板及4#、5#岩层垮落,稍后3#石灰岩也随之断裂,工作面第四次来压。工作面回采完毕后,10#煤层直接顶完全垮落至底板,采空区中部上方的裂隙逐渐被压实,形成采动裂隙压实闭合区。

由实验过程可知,10#煤层的基本顶8#砂岩及原9#煤层顶板3#石灰岩均形成了周期性断裂规律。8#砂岩初次断裂步距为30 m,周期性断裂步距约为13 m;3#石灰岩初次断裂步距为45 m,周期性断裂步距约为21 m;10#煤层开采过程中,8#砂岩与3#石灰岩的断裂交替进行,从而形成了特殊的矿压显现特点。

3 工作面覆岩结构分析

3.1 9#煤层开采后围岩情况分析

3.1.1 9#煤层开采对顶板的影响高度计算

(1)9#煤层开采完毕后,垮落带高度根据公式(1)计算。

式中:H垮——垮落带高度,m;

M——平均采高,取1.9 m;

Kp——岩层的碎胀系数。

9#煤层顶板3#、4#、5#岩层碎胀系数Kp分别为 1.5、1.3、1.2,将数据代入公式(1),得H垮=5.41 m。

(2)9#煤层开采完毕后,裂隙带高度可根据经验公式(2)计算。

式中:H裂——裂隙带高度,m。

将数据代入公式(2),得H裂=23～34.2 m。

综上所述,9#煤层开采完毕后,直接顶及老顶均全部垮落,3#石灰岩部分垮落或者只形成裂隙,1#及2#岩层均形成裂隙,岩层结构遭到破坏。

3.1.2 9#煤层开采对底板的影响深度计算

9#煤层开采后产生卸压区,造成底板岩层剪切或拉伸破坏,产生较多的次生裂隙,此破坏深度越深,对10#煤层开采深度的影响越大。破坏最大深度h可以利用公式(3)计算。

式中:γ——上覆岩层平均体积力,取26 kN/m3;

H——埋深,取285 m;

L——工作面长度,取150 m;

Rc——岩体单轴抗压强度,取33 MPa。

将相关数据代入公式(3)计算,得底板破坏最大深度h=2.97m。

即9#煤层开采完毕后,其底板厚度为2.8 m的7#泥岩结构受到破坏,而厚度为4.2 m的8#砂岩受到影响较小,岩层结构仍然较完整。

3.2 10#煤层开采前覆岩结构分析

9#煤层开采完毕后,其上覆岩层形成垮落带和裂隙带。采动影响稳定后,垮落带被压实,但远不能达到其原始强度,可以视为散体结构,随下层支撑体变形;裂隙带岩层结构在开采时未完全破坏,重新压实后,可以视为块体结构;9#煤层底板岩层受采动影响,在一定深度的岩石有裂隙发育,但其结构也未破坏,仍为块体结构,随工作面的开采,会发生周期性的断裂,并形成砌体梁结构。

因此,10#煤层工作面回采前,其上覆岩层形成了“块体-散体-块体”的复合基本顶结构。根据9#煤层开采对底板岩层破坏深度及垮落带高度可知,8#砂岩为10#煤层直接基本顶,部分垮落的3#石灰岩为10#煤层间接基本顶,9#煤层垮落带及7#泥岩为散体夹层,见图3。

图3 10#煤层开采前顶底板结构图

4 矿压显现规律现场实测与分析

4.1 现场实测结果分析

10#-110工作面支护采用 ZY7600/1.8/3.7型液压支架,回采过程中,安装了5台支架工作阻力在线监测仪,取安装于工作面中间位置的监测仪数据进行分析,去除异常数据及移架过程中的数据变化,经处理,得出工作面回采0～150 m长度时的支架工作阻力数据,见图4。

图4 支架工作阻力监测数据处理结果

由图4可以看出,工作面推进至28 m时,发生第一次来压,支架工作阻力达到7416 kN;推进至41 m时,发生第二次来压,此次来压支架工作阻力较大,超过了支架的工作阻力7600 kN,安全阀开始泄压。之后工作面来压表现出一小一大的周期规律,推进约14 m发生一次小来压,继续推进约11 m发生一次大来压,支架工作阻力分别达到5800 kN和7100 kN左右。

4.2 矿压显现规律分析

结合物理模拟及矿压监测结果可以得出,10#煤层开采约28 m后,直接基本顶断裂,散体夹层随之垮落,间接基本顶发生弯曲下沉,支架工作阻力增大到7416 kN,工作面发生第一次初次来压,为小初次来压;回采至41 m时,直接基本顶再次断裂,并形成砌体梁结构,散体夹层随之垮落,此时,间接基本顶断裂,上覆岩层下沉,工作面发生大面积来压,压力超过支架工作阻力7600 kN,安全阀开始泄压;由于此次来压,间接基本顶初次垮落,涉及岩层高度及支架工作阻力均大于第一次来压,因此称为大初次来压。10#-110工作面小初次来压步距为28 m,大初次来压步距为41 m。

自发生大初次来压之后,工作面回采至55m,直接基本顶发生周期性断裂,散体夹层随之垮落,间接基本顶只发生弯曲下沉,支架工作阻力约5819 kN,工作面发生小周期来压;当工作面继续推进至67 m时,直接基本顶及间接基本顶均发生周期性断裂,支架工作阻力达到7162 kN,由于该次周期来压影响上覆岩层的高度及支架工作阻力都比较大,称为大周期来压。结合实测数据分析结果,10#-110工作面小周期来压步距约为14 m,大周期来压步距约为25 m。

5 结论

针对该煤矿近距离煤层采空区下工作面矿压显现的问题,通过物理相似模拟及理论计算,结合工作面的矿压实测结果,分析得出以下主要结论。

(1)近距离上煤层9#煤层开采完毕后,垮落带高度为5.41 m,直接顶及基本顶均全部垮落,3#石灰岩形成裂隙;对底板影响深度为2.97 m,破坏了7#泥岩的岩层结构,对10#煤层的直接顶板4.2 m厚的8#砂岩影响较小。

(2)10#煤层开采前,工作面上覆岩层形成了“块体-散体-块体”的复合基本顶结构,回采过程中形成“小-大初次来压”及“小-大周期来压”的矿压显现规律。

(3)10#-110工作面小初次来压步距为28 m,大初次来压步距为41 m,小周期来压步距约为14 m,大周期来压步距约为25 m。

[1]钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003

[2]钱鸣高,缪协兴,许家林,茅献彪.岩层控制度的关键层理论[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003

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(责任编辑 张毅玲)

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

国家自然科学基金面上项目(51074165)。

周楠(1988-),男,中国矿业大学采矿工程硕士研究生,主要研究方向为采动岩体控制及固体废弃物充填采煤技术。