浅埋近距离煤层间距对工作面来压特征的影响研究∗

陈梦　朱卫兵　温嘉辉　张冬冬(.中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室,江苏省徐州市,226; 2.神华神东煤炭集团有限责任公司榆家梁煤矿,陕西省榆林市,7936)



浅埋近距离煤层间距对工作面来压特征的影响研究∗

陈梦1,2朱卫兵1温嘉辉1张冬冬1
(1.中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室,江苏省徐州市,221116; 2.神华神东煤炭集团有限责任公司榆家梁煤矿,陕西省榆林市,719316)

摘 要采用理论分析、物理模拟和现场实测方法,研究了石圪台煤矿不同间距的近距离煤层综采面的矿压显现规律。结果表明浅埋特近距离煤层工作面的周期来压持续长度较小,动载系数小,安全阀开启率低,矿压显现不强烈。另外,8m层间距区域层间有关键层,工作面矿压显现受层间关键层控制;2m层间距区域层间不存在关键层,由于上煤层基本顶层位低,经重复采动难以形成结构,工作面矿压显现规律受基本顶之上一层关键层控制,且层间无关键层区域工作面矿压显现比有关键层时弱。

关键词浅埋煤层 近距离煤层开采 关键层 矿压显现

我国大部分煤田都有煤层群赋存,由于煤层间距较小,下行开采时下煤层工作面易发生漏矸冒顶事故,严重时工作面被迫停产,甚至综采设备被埋无法撤出,造成严重的安全隐患和巨大的经济损失。国内学者围绕大同、开滦等矿区对非浅埋近距离煤层综采面矿压进行了大量研究,而神东矿区浅埋近距离煤层综采面矿压方面的研究主要集中于特殊条件下(如工作面出煤柱、过沟谷地形和厚风积沙区域等)的安全开采,在煤层间距小至0.8～8m特近距离条件下工作面过常规采空区的来压特征研究较少,且神东矿区尚无此方面的数据积累。因此,研究神东矿区浅埋特近距离煤层工作面过常规采空区的矿压显现规律尤为重要。本文围绕石圪台煤矿浅埋特近距离煤层工作面展开研究,对不同层间距区域工作面矿压显现进行现场实测,并进行物理模拟试验,研究结果为神东矿区类似条件下综采工作面的支架选型和安全回采提供参考。

1　试验工作面基本条件

石圪台煤矿12106和12108综采工作面均位于1－2煤层一盘区,12106工作面走向长428.2 m,倾斜宽280.2m,煤层厚度2.62～2.95m,设计采高2.8m,与上覆已采1－2上煤层间距为0.8～13.0m。12108工作面走向长334.5 m,倾斜宽149.5m,煤层厚度为2.62～3.24m,平均厚度2.94m,设计采高2.9 m,12108工作面与已采1－2上煤层间距为0.9～7m。12106和12108综采工作面煤层倾角均为1°～3°,整体都呈正坡回采,局部有波状起伏,均属特近距离煤层开采,采用走向长壁后退式一次采全高综合机械化采煤法,工作面顶板采用全部垮落法管理。12106工作面采用ZY12000/18/35D两柱掩护式液压支架,12108工作面采用ZY8600/17/35D两柱掩护式液压支架。两综采工作面与上覆已采1－2上煤层间距均随回采工作面的推进呈增大趋势,如图1所示。

2　不同层间距区域工作面矿压显现实测

2.1矿压观测方案

为便于对比分析不同层间距区域工作面矿压显现规律的差异,特选取12108工作面2m层间距区域和12106工作面8m层间距区域进行矿压观测。在12106和12108综采面各布置5个尤洛卡综采记录仪,全程实时监测液压支架工作阻力变化。其中,12106工作面的5个尤洛卡综采记录仪分别安装在40＃、60＃、80＃、100＃和120＃液压支架上; 12108工作面的5个尤洛卡综采记录仪分别安装在15＃、30＃、45＃、60＃和70＃液压支架上,见图1。同时,结合工作面综采设备携带的PM3液压支架工作阻力监测数据以及来压时现场观测的矿压显现分析不同层间距区域工作面呈现的矿压显现规律。

图1　12106和12108工作面层间距等值线图

2.22m层间距区域工作面来压特征

12108综采面初采阶段大部分区域层间距为2m。在此区域工作面矿压特征为初次垮落步距为24.5 m,来压期间支架最大循环末阻力为8566kN,平均循环末阻力为8050kN,动载系数1.3,来压持续长度2.4m。周期来压阶段实测周期来压步距最大为16.8m,最小为7.2m,平均12.8m,来压期间支架最大循环末阻力为8327 kN,平均循环末阻力为7698kN,动载系数1.24,平均来压持续长度2.48m,来压期间液压支架活柱下缩量平均为6mm,安全阀基本无开启,工作面顶板完整,煤壁无片帮,工作面矿压显现缓和。

2.38m层间距区域工作面来压特征

实测12106综采面8m层间距区域的周期来压步距9.5～11.4m,平均为10.0m;来压期间支架最大循环末阻力为11980kN,平均循环末阻力为10735kN,动载系数1.25,平均来压持续长度为1.96 m,非来压期间支架循环末阻力为8402kN,来压期间液压支架活柱下缩量平均为12 mm,安全阀开启率为16%,顶板破碎,偶尔有轻微漏矸现象,煤壁片帮深度100～300mm,工作面矿压显现比2m层间距区域稍大。

2.4不同层间距区域矿压显现特征对比

对比2m、8m层间距区域矿压显现特征可知:2m层间距区域周期来压步距和来压持续长度均比8m层间距区域略微偏大,但周期来压期间液压支架活柱下缩量和安全阀开启率则比8m层间距区域明显偏小,见表1。和常规工作面矿压显现特征相比,浅埋特近距离工作面的来压持续长度小,动载系数小,安全阀开启率低,工作面矿压显现不强烈。

表1　石圪台煤矿特近距离工作面矿压特征

3　层间距对来压特征的影响

3.1关键层位置判别

根据岩层控制的关键层理论可知:当煤层上覆岩层中存在多层坚硬岩层时,各坚硬岩层因其变形和破断特征不同而对其采场顶板岩层运动所起的作用不同。特近距离煤层开采时,两煤层之间的岩层岩性对下煤层采场矿压显现规律有显著影响。结合12106和12108工作面覆岩特征,选取K38和KB48两钻孔柱状,应用关键层判别软件计算关键层位置,其中钻孔K38位于12106工作面8m层间距区域,钻孔KB48揭示上下煤层间距为3.2m,但距离12108工作面2 m层间距区域最近,如图1所示。

表2　K38钻孔柱状及关键层判别

根据K38钻孔柱状及关键层判别结果可知: 8m层间距区域层间有一层6.19m厚的粉砂岩属于亚关键层,另外,1－2上煤层覆岩层也存在2层关键层,即3.93 m厚的细粒砂岩是亚关键层, 5.95m厚的细粒砂岩为主关键层,见表2。根据KB48钻孔柱状及关键层判别结果可推断2m层间距区域层间不存在关键层,而1－2上煤层覆岩层中存在4层关键层,即4.19m厚的细粒砂岩、4.02 m厚的中粒砂岩和4.30m厚的细粒砂岩均为亚关键层,11m厚的细粒砂岩为主关键层,见表3。因此,12106综采工作面末采阶段煤层间距较大,层间有关键层;12108工作面初采阶段,层间距仅有2m,层间无关键层。

表3　KB48钻孔柱状及关键层判别

3.2关键层周期破断步距分析

岩层的破断是由岩层自身强度和承载上覆载荷及自身重量决定的,通常关键层的周期破断步距按悬臂梁式折断计算:

式中:L——关键层的周期破断步距,m;

h——关键层厚度,m;

RT——关键层的极限抗拉强度,MPa;

q——作用在关键层上的载荷,MPa。

由K38钻孔岩石力学参数可知,1－2上煤层与1－2煤层之间的亚关键层参数h为6.19m,RT为1.8MPa,q为0.22MPa,将参数代入式(1)得破断步距为10.2m。

由KB48钻孔岩石力学参数可知,1－2上煤层基本顶为4.19m厚细粒砂岩的亚关键层,其力学参数h为4.19m,RT为9MPa,q为0.32MPa,将参数代入式(1)得破断步距为12.8m。

由相关文献可知,石圪台煤矿12102工作面4m层间距区域层间无关键层,上煤层基本顶层位较低,其矿压显现规律主要受上煤层基本顶之上关键层控制。钻孔KB48揭示1－2上煤层直接顶较薄,基本顶层位较低,因此计算第二层亚关键层中粒砂岩的破断步距,其参数h为4.02 m,q为0.47MPa,当抗拉强度取最大值时RT为14MPa,将参数代入式(1)得破断步距L为12.67m。

结合石圪台煤矿12106工作面8m层间距区域和12108工作面2m层间距区域的矿压实测分析:层间无关键层时工作面的周期来压步距和来压持续长度都比层间有关键层时大,而活柱下缩量和安全阀开启率相对于层间有关键层时都较小,层间无关键层时工作面矿压显现强度总体比有关键层时弱。12106工作面8m层间距区域平均周期来压步距为10.0m,与两煤层之间6.19m厚的粉砂岩亚关键层破断步距10.2m较吻合,说明12106工作面矿压显现规律受该层间关键层控制。12108工作面2m层间距区域平均周期来压步距为12.8m,与1－2上煤层基本顶的4.19m厚细粒砂岩亚关键层破断步距12.8m一致,而通常认为近距离煤层重复采动时下煤层工作面矿压显现规律受上煤层基本顶控制,但考虑到上煤层基本顶层位低,经重复采动难以形成结构,且下煤层周期来压步距与第二层亚关键层的破断步距12.67m也很相近,因此不能传统地认为下煤层工作面矿压显现规律受上煤层基本顶控制。

4　层间距对工作面矿压规律影响的相似材料模拟试验

4.1相似材料模拟方案设计及有关参数的选取

为验证上述理论计算,并深入研究特近距离工作面矿压显现规律,采用相似材料模拟试验进行研究。根据上述两钻孔柱状及关键层判别结果可知: 8m层间距区域层间有关键层,1－2上煤层覆岩中存在2层关键层;2m层间距区域层间无关键层, 1－2上煤层覆岩中存在4层关键层。结合石圪台煤矿煤层浅埋深、特近距离赋存条件,将覆岩简化,设计了上煤层覆岩中均有3层关键层的物理模型。层间有关键层的物理模型层间距定为8m,即方案1;根据钻孔KB48揭示层间岩层厚度以及考虑到层间岩层厚度较小时经重复采动模型难以稳定,特将层间无关键层的物理模型层间距定为3m,即方案2。相似材料模型选用平面应力模型架进行试验,模型架尺寸为2.5m×0.2m×2.0m (长× 宽×高),模型的几何相似比为1∶100,密度相似比为1∶1.6,应力相似比为1∶160。根据相似理论和牛顿第二定律确定各岩层的有关力学参数,并选择合适的相似材料依次铺设各岩层,两物理模型各岩层相似材料配比见表4、表5。

表4　方案1 层间有关键层各岩层相似材料配比表

表5　方案2 层间无关键层各岩层相似材料配比表

物理模拟相似材料主要由河砂、碳酸钙、石膏和水等组成,按一定的配比混合搅拌均匀铺设模型,层间撒一定量云母分隔,煤层中可加入少量煤粉。模型建造完毕后即对其进行养护,适时逐步拆除挡护板,当模型岩层的力学性质、含水率和容重都满足相似准则时,开始回采试验。模型煤层开采时上煤层两侧各留200mm边界煤柱,下煤层两侧各留300mm边界煤柱,煤层开采中利用自制的模拟支架监测顶板压力。

4.2试验结果与分析

模型开采时按步距20～30 mm、时间间隔20min依次开挖上下煤层,上煤层开采完毕,隔一天待覆岩稳定后开始回采下煤层。方案1模型中上下煤层间有层厚度为50mm的关键层,当下工作面推进至560 mm、650 mm、750 mm和900 mm处时可观察到层间关键层控制覆岩明显运动,此时对应层间关键层破断块体长度依次为90mm、100mm和150mm,平均113mm,而模拟支架监测到顶板来压步距依次为100 mm、100 mm和150mm,平均116mm,两者长度基本吻合,说明下煤层工作面矿压显现规律受层间关键层控制。方案2模型回采过程中,亚关键层1破碎较严重,大部分块体长度50mm左右,当下工作面推进至600 mm、750 mm、870 mm、1000 mm、1120mm和1260mm等处时可明显观察到亚关键层2控制上覆岩层一起移动,此时对应的亚关键层2形成的破断块体长度依次为110mm、120mm、140mm、100mm和170 mm,平均为128 mm,而利用模拟支架监测到顶板来压步距依次为150 mm、120mm、130mm、120mm和140mm,平均来压步距为132mm,说明下煤层工作面矿压显现规律主要受亚关键层2控制。

物理模拟试验表明:特近距离煤层开采时,层间有关键层时下煤层工作面矿压显现主要由该层间关键层控制;层间无关键层时,由于上煤层基本顶层位较低,受重复采动影响破碎严重难以形成承载结构,此时下煤层工作面矿压显现受上煤层基本顶之上关键层的控制。

5　结论

(1)石圪台矿浅埋特近距离煤层综采面矿压显现不强烈,工作面周期来压步距变化不大,来压持续长度小,动载系数小,工作面煤壁片帮漏矸不严重。

(2)近距离煤层下行开采中,层间存在关键层时,下煤层工作面的矿压显现规律受层间关键层控制;层间无关键层时,下煤层工作面的矿压显现规律通常受上煤层基本顶控制,但由于上煤层基本顶层位低,受重复采动影响破碎严重难以形成承载结构,此时下煤层工作面矿压显现受上煤层基本顶之上关键层控制,而且层间无关键层的工作面矿压显现强度比层间有关键层时弱。

参考文献:

[1] 周楠,张强,安百富等.近距离煤层采空区下工作面矿压显现规律研究[J].中国煤炭,2011(2)

[2] 孙春东,杨本生,刘超.1.0m极近距离煤层联合开采矿压规律[J].煤炭学报,2011(9)

[3] 张伟.近距离煤层采空区下综采工作面矿压显现规律[J].煤矿开采,2011(6)

[4] 鞠金峰,许家林.浅埋近距离煤层出煤柱开采压架防治对策[J].采矿与安全工程学报,2013(3)

[5] 张志强,许家林,王晓振等.沟谷地形下浅埋煤层工作面矿压规律研究[J].中国煤炭,2011(6)

[6] 王庆雄,张志强,王学强等.活鸡兔井近距离下煤层开采层间距变化对矿压的影响[J].煤矿安全, 2010(10)

[7] 王路军,朱卫兵,许家林等.浅埋深极近距离煤层工作面矿压显现规律研究[J].煤炭科学技术, 2013(3)

[8] 王晓振,许家林,朱卫兵等.浅埋综采面高速推进对周期来压特征的影响[J].中国矿业大学学报, 2012(3)

[9] 钱鸣高,石平五,许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2010

(责任编辑张毅玲)

Researchoninfluencesofdistancebetweenshallowcoalseamswithclose distanceonweighingcharacteristicsinworkingface

ChenMeng1,2,ZhuWeibing1,WenJiahui1,ZhangDongdong1
(1.KeyLaboratoryofDeepCoalResourceMining,MinistryofEducation,SchoolofMines, ChinaUniversityofMining& Technology,Xuzhou,Jiangsu221116,China; 2.YujialiangCoalMineofShenhuaShendongCoalGroupCo.,Ltd.,Yulin,Shaanxi719316,China)

AbstractStratabehaviorregularitiesoffullymechanizedminingfacesofcoalseamswith differentdistancesinShigetaiCoalMinewerestudiedbyusingtheoreticalanalysis,physicalsimulationandfieldmeasurementmethods.Theresultsshowedthatthepersistencelengthofperiodicweightinginworkingfacesundershallowcoalseamswithextraclosedistancewasshort,and thedynamicloadcoefficientwassmall,theopenrateofsafetyvalvewaslowandthestratabehaviorswerenotstrong. Besides,thestratabehaviorsofworkingfacewerecontrolledbykey stratumofinterlayerbetweencoalseamswith8mdistance.Therewasnotakeystratumininterlayerbetweencoalseamswith2mdistance,andbecausethebasicroofpositionofuppercoal seam waslow,thebasicroofwasinfluencedbyrepeatedminingandcouldn＇tformstructure, stratabehaviorregularitiesofworkingfacewerecontrolledbykeystratumabovebasicroofofuppercoalseam. Andwhentherewasakeystratumbetweencoalseams,thestratabehaviorsin workingfacewerestrongerthanthatwhentherewasnokeystratumbetweencoalseams.

Keywordsshallow coalseam,closedistancecoalseams mining,keystratum,strata behaviors

中图分类号TD323

文献标识码A

基金项目:∗国家重点基础研究发展计划(973)项目(2013CB227900),国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAK04B06)

作者简介:陈梦(1990－),男,河南商丘人,硕士研究生,任职于神华神东榆家梁煤矿,主要从事岩层移动与绿色开采方面的研究。