確保底板采區下山免受采動破壞的工作面終采線劃定

何炳銀

(安徽省煤炭科學研究院,安徽省合肥市,230001)

確保底板采區下山免受采動破壞的工作面終采線劃定

何炳銀

(安徽省煤炭科學研究院,安徽省合肥市,230001)

提出采區底板下山免受采動破壞的工作面終采線位置劃定方法,并用該方法確定了某綜采面終采線實際位置,使其采區底板下山免受采動破壞。

采區下山 底板巷道 采動破壞 工作面終采線

工作面終采線位置的合理劃定,具有提高煤炭資源回收率和避免底板采區上、下山遭受采動影響破壞的雙重意義。合理確定工作面終采線的位置,就是要在盡可能延長工作面走向長度、多回收煤炭的同時,避免底板下山遭受嚴重采動影響和破壞。本文就某礦1541(3)綜放面回采對于底板下山的采動影響進行了觀測和研究,提出可使下山免受采動嚴重影響的回采面終采線劃定方法,合理劃定了1541(3)綜放面終采線的具體位置。

1 工作面及采區下山的地質與采礦條件

1541(3)工作面采用綜采放頂煤工藝,工作面走向長 1580 m,傾斜長 200 m,平均采深510 m。在工作面終采線附近,工作面走向與采區下山斜交60°左右。工作面煤層結構復雜。煤層頂部以片鱗狀煤為主,中部以片塊狀煤為主,底部以粉末狀煤為主。大部分地段煤層底部含1～2層、厚0.05～0.5 m的泥巖或炭質泥巖夾矸。煤層厚2.7～5.5 m,平均 4.5 m。煤層傾角 3～10°,平均 7°。

采區下山位于煤層底板砂質泥巖中,距煤層底板41 m。在這41 m巖層中,主要是砂質泥巖和砂巖。其中,砂質泥巖24.5 m,砂巖12 m。下山掘進斷面為直墻半圓形,掘進高度3.55 m,掘進寬度4.70 m,掘進斷面積14.31 m2。巷道采用錨噴支護,錨桿規格為?20mm×2200mm,錨桿間、排距1000mm×500mm,在巷道頂板中部沿巷道縱向每隔2 m打1根錨索,錨索規格為 ?15.24mm×6300mm。巷道表面噴射150mm厚混凝土。

2 根據采動影響觀測結果劃定工作面終采線的方法

2.1 底板下山采動影響觀測

觀測研究所涉及的巷道包括:1541(3)綜采面下運輸巷道、采區軌道下山與工作面相連的軌道斜巷、煤層底板運輸大巷。觀測項目包括:巷道表面位移、巷道圍巖深部位移、巷道支架載荷、巷道圍巖采動附加應力。觀測自工作面距底板采區下山200 m處開始,直到工作面停采后1年結束,觀測站布置見圖1。

圖1 底板下山采動影響觀測布置圖

2.2 幾點假設與說明

為便于分析工作面采動支承壓力或采動影響,假設:

在底板巖層中的傳播與分布規律在工作面走向與傾向被看作是相同的;

在底板巖層中的傳播與分布規律在工作面推進過程中和停采后被看作是相同的;

在底板巖層中的傳播角在所觀測和所研究的巖層范圍內被看作是不變的;

在底板巖層中的傳播與分布的分析和研究以巷道的圍巖變形觀測結果為主要依據,以巷道壓力及其它觀測數據為參考依據。

2.3 劃定工作面終采線位置的方法與步驟

(1)根據回采煤層巷道的礦壓顯現對本煤層巷道中的超前支承壓力影響區進行劃分,并將其劃分為若干個區域;

(2)根據煤層底板巷道的圍巖變形與圍巖應力對底板巷道中的采動應力影響區進行劃分,也可將其劃分為若干個區域;

(3)將煤層巷道與底板巷道所劃分的采動影響的相對應區域相連,求得煤層底板巖層中采動應力或采動影響的傳播角;

(4)假設若干個終采線位置,以該終采線上到所需保護巷道的最短直線距離處為圓心,并以該終采線到所需保護的底板巷道的最短水平距離(即煤柱留設寬度)為半徑畫圓;

(5)在平面圖上,作聯線連接圓心到所需保護巷道的最短水平距離處(圓周上),并沿著該連線方向作一鉛垂剖面;

(6)在底板巖層內劃分出采動影響界面線。在鉛垂剖面與上述聯線所在的水平面的交線上,量取一段等于煤層巷道內受到工作面超前支承壓力明顯影響的超前距離,在此超前距離處按照工作面回采過程中超前支承壓力在底板巖層中的傳播角向底板方向劃一直線,此直線即是底板巖層內的采動影響界面線。位于該界面線工作面側的區域屬于采動影響區,位于該直線上山側的區域屬于采動影響以外區域;

(7)確定終采線位置。根據所劃出的若干個采動影響界面線,當所需保護的巷道位于采動影響界面線以內,則巷道將要受到工作面采動的影響。只有當所需保護的巷道位于采動影響界面線以外,巷道才可免受或少受采動影響。

3 根據觀測資料確定終采線位置實例

3.1 煤層巷道內工作面超前支承壓力影響區域的劃分

根據1541(3)運輸巷頂底板相對移近觀測,煤層巷道內超前支承壓力影響區域劃分為5個區域,分別是無影響區、明顯影響區、顯著影響區、嚴重影響區、劇烈影響區,各影響區相對應的距工作面煤壁線的距離分別為大于或等于140 m、140～100 m、100～60 m、60～20 m、20～0 m,各影響區域相對應的巷道變形速度分別為小于1mm/d、大或等于1mm/d、大于或等于10mm/d、大于或等于40mm/d、大于或等于100mm/d。

為便于比較,將煤層巷道圍巖深部采動變形亦作相應的區域劃分。巷道圍巖深部采動變形區域劃分與上述劃分基本相同,分別為無影響區、明顯影響區、顯著影響區、嚴重影響區、降壓區。各影響區相對應的距工作面煤壁線的距離分別為大于或等于120 m、120～80 m、80～50 m、50～5 m、5～0 m,除降壓區以外的各影響區域相對應的圍巖內部變形速度分別為小于1mm/d、大或等于1mm/d、5～10mm/d、10～40mm/d。

根據在工作面超前支承壓力作用下所增長的巷道頂板壓力也可對巷道超前影響區域進行與上述類似的劃分,各個影響區相對應的距工作面煤壁線的距離分別為大于或等于 80 m、80～60 m、60～40 m、40～6 m、6～0 m,除降壓區以外的各影響區域相對應的頂板錨索載荷增長速度分別為0、小于或等于5 kN/d、5～20 kN/d、大于或等于20 kN/d。

根據3個礦壓指標對工作面巷道內超前支承壓力影響區的劃分結果基本相同,只是巷道變形量更加敏感些,影響的范圍更大些。據此,劃定工作面回采巷道內的明顯影響區為距工作面煤壁線100 m,見表1～表3。

表1 巷道采動變形區域劃分表

表2 巷道采動圍巖壓力增加區域劃分表

表3 巷道圍巖深部采動變形區域劃分表

3.2 底板巖層內采動應力影響傳播區域的劃分

與工作面回采巷道類似,底板巖層內采動應力的傳播和影響區域劃分主要根據底板運輸大巷頂底板相對移近量觀測數據,并參考其它觀測資料。根據回采煤層底板巷道內的頂底板相對移近觀測,底板運輸大巷內超前支承壓力影響區域劃分為5個區域,分別是無影響區、明顯影響區、顯著影響區、嚴重影響區、卸壓區,各影響區相對應的距工作面煤壁線的水平距離分別為大于或等于120 m、120～80 m、80～40 m、40～10 m、10～2 m,除卸壓區以外的各影響區域相對應的巷道變形速度分別為0、大于或等于0.5mm/d、大于或等于2mm/d、大于或等于5mm/d。

底板運輸大巷圍巖深部采動變形亦作相應的區域劃分。巷道圍巖深部采動變形區域亦劃分為5個區域,并與巷道表面變形的區域劃分相同,各個影響區相對應的距工作面煤壁線的水平距離分別為大于或等于 100 m、100～60 m、60～40 m、40～12 m、12～0 m,各影響區域相對應的圍巖內部變形速度分別為 0、大于或等于 0.5mm/d、1～3mm/d、3～10mm/d、0mm/d。

工作面采動支承壓力在底板巖層內的傳播和分布,使底板巖層巷道圍巖內的應力水平提高。根據圍巖應力的增長將底板運輸大巷受到工作面采動影響的超前影響范圍劃分為4個區:無影響區、明顯影響區、嚴重影響區和穩定區,各個影響區相對應的距工作面煤壁線的距離分別為大于或等于100 m、100～50 m、50～20 m、20～12 m,各影響區域相對應的圍巖應力增長速度分別為0、小于或等于 0.2 MPa/d、0.8 MPa/d、小于或等于0.05 MPa/d。

根據3個礦壓指標對采動支承壓力在底板巖層內的傳播和分布范圍劃分的結果,與煤層內巷道支承壓力超前影響區劃分類似,只是巷道變形量更加敏感些,影響的范圍更大些。據此,劃定煤層回采時底板運輸大巷內的采動影響的明顯影響區為距工作面煤壁線水平距離80 m,見表1和圖2。

3.3 底板巖層內采動應力傳播角確定

由于煤層的采出,打破了地層內本來平衡的應力關系,會在采場圍巖內產生集中應力。如果將煤層底板巖層看成是半無限均質彈性介質,則煤層中的集中應力會在底板巖層中均勻連續地傳播和分布。地層中應力的傳播和分布會隨傳播距離的增加而逐漸減小。因此,與煤層巷道相比,無論在時間上、大小上和范圍上,煤層底板巷道內的采動應力的超前傳播和超前影響都是不同的。本文所稱底板巖層內采動應力影響傳播角是指:按照相同的礦壓觀測參數,在處于同一個鉛垂剖面內的煤層巷道、底板巖層巷道中按照相同影響程度分別劃定工作面超前支承壓力影響范圍,這兩個影響邊界之間的最短連線與水平面之間的夾角被稱之為底板巖層內采動應力傳播角。

圖2 1541(3)運輸巷、底板運輸大巷工作面超前支承壓力影響區劃分

根據觀測數據的分析比較,1541(3)運輸巷中的超前支承壓力的明顯影響范圍為100 m,底板運輸大巷中超前支承壓力的明顯影響范圍為80 m,底板運輸大巷與13-1煤層埋深之差為25.5 m,因此,1541(3)綜放面開采時,其采動支承壓力在底板巖層中的傳播角:

4 綜采面終采線位置的確定

假定3個終采線位置,工作面煤壁線在運輸巷處的位置分別為A點、B點和C點。A點、B點和C點距運輸巷與1541(3)軌道上山交匯處的距離分別為100 m、90 m和80 m。如果工作面采動影響在傾向上和走向上的影響范圍相同,則煤壁線在運輸巷距1541(3)軌道上山的距離為100 m、90 m和80 m時,在采區下山上方的運輸巷平面內,工作面的超前采動影響將達到采區下山上方的A′、B′、C′點處,見圖1。

在圖1中,分別沿 AA′、BB′、CC′作剖面,并按煤層底板巖層采動應力傳播角劃分出工作面采動時工作面超前支承壓力在煤壁前方煤層底板巖層中的影響范圍,見圖3。

在圖3中,當終采線距1541(3)運輸上山100 m時,采區下山位于工作面底板采動影響范圍外13 m。

當終采線距1541(3)運輸上山90 m時,采區下山位于工作面底板采動影響范圍外2 m。

圖3 采區下山受采動影響分析剖面圖

當終采線距1541(3)運輸上山80 m時,采區下山位于工作面底板采動影響范圍以內3 m。

因此,當工作面終采線位于距1541(3)運輸巷軌道上山80 m的位置時,采區下山位于工作面底板采動影響范圍之內,顯然不合適;當工作面終采線位于距1541(3)運輸巷軌道上山100 m的位置時,采區下山位于工作面底板采動影響范圍之外13 m,這時,雖然采區下山位于工作面底板采動影響范圍之外,但與在采區下山基本不受采動影響和破壞的前提下多回收煤炭資源的原則有悖;當工作面終采線位于距1541(3)運輸巷軌道上山90 m的位置時,采區下山位于工作面底板采動影響范圍之外僅2 m,應該是合適的。因此,根據觀測和分析,當1541(3)綜放面在距1541(3)工作面軌道上山90 m處停采時,位于回采煤層底板的采區下山將不會或基本不會受到1541(3)綜放面超前支承壓力的破壞或嚴重影響。

5 結論與建議

(1)根據對1541(3)綜放面回采期間及停采后一段時期內本工作面回采巷道及其底板巖層巷道的礦壓觀測以及對觀測結果的分析,本工作面在其回采中的超前支承壓力的明顯影響范圍為100 m,超前支承壓力在煤層底板巖層中的傳播角為38°。當1541(3)綜放面終采線距采區下山90 m以外,采區下山將不會或很少受到該工作面超前支承壓力的破壞和影響。采用該方法確定工作面終采線位置,停采后兩年多,所保護的底板下山基本未受到采動影響,巷道維護狀況良好。

(2)本次觀測和研究結果反映的是該礦某采區首采面回采期間和回采結束后其煤層底板巖層內的工作面超前支承壓力的分布和傳播規律。而對于該采區的地質條件來說,根據地表移動計算理論,該首采面的回采屬于非充分采動。因此,隨著采區范圍內回采面積的增大,對于充分采動時工作面超前支承壓力在其底板巖層內的分布和傳播規律,應該會有所不同,主要表現為破壞和影響的范圍更大、程度更嚴重。

(3)工作面終采線位置的研究和確定,是在具體的地質采礦條件下進行的,因此具有其特定性,對于不同地質采礦條件下的工作面和底板巖層巷道,其采動的破壞和影響程度及范圍可能不完全相同,但其使底板采區下山免受采動破壞的工作面終采線劃定的方法應該是可以借鑒的。

(4)為了使觀測和研究的結果更準確、更具有代表性,使工作面終采線位置的確定更加合理,應對同一采區或礦井進行若干次類似的觀測和研究。

(責任編輯 張毅玲)

Delimitation of coalmining boundary to avoid the influence ofmining of dip entry in floor

He Bingyin
(Coal Science Research Institute of Anhui province,Hefei,Anhui 230001,China)

Method of delimitation of coal district dip is put forward.Adopting this method,the district dip of the fully mechanized coal face was determined and the influence ofmining of dip entry in floor was avoided.

district dip,dip entry,mining-induced influence,terminal line

TD822.1

B

何炳銀(1954-),男,正高級工程師,1982年畢業于淮南礦業學院采礦系。現在安徽省煤炭科學研究院從事礦山壓力與巷道支護研究工作。