淺埋近距離煤層間距對工作面來壓特征的影響研究?

陳夢　朱衛兵　溫嘉輝　張冬冬(.中國礦業大學礦業工程學院深部煤炭資源開采教育部重點實驗室,江蘇省徐州市,226; 2.神華神東煤炭集團有限責任公司榆家梁煤礦,陜西省榆林市,7936)

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淺埋近距離煤層間距對工作面來壓特征的影響研究?

陳夢1,2朱衛兵1溫嘉輝1張冬冬1
(1.中國礦業大學礦業工程學院深部煤炭資源開采教育部重點實驗室,江蘇省徐州市,221116; 2.神華神東煤炭集團有限責任公司榆家梁煤礦,陜西省榆林市,719316)

摘 要采用理論分析、物理模擬和現場實測方法,研究了石圪臺煤礦不同間距的近距離煤層綜采面的礦壓顯現規律。結果表明淺埋特近距離煤層工作面的周期來壓持續長度較小,動載系數小,安全閥開啟率低,礦壓顯現不強烈。另外,8m層間距區域層間有關鍵層,工作面礦壓顯現受層間關鍵層控制;2m層間距區域層間不存在關鍵層,由于上煤層基本頂層位低,經重復采動難以形成結構,工作面礦壓顯現規律受基本頂之上一層關鍵層控制,且層間無關鍵層區域工作面礦壓顯現比有關鍵層時弱。

關鍵詞淺埋煤層 近距離煤層開采 關鍵層 礦壓顯現

我國大部分煤田都有煤層群賦存,由于煤層間距較小,下行開采時下煤層工作面易發生漏矸冒頂事故,嚴重時工作面被迫停產,甚至綜采設備被埋無法撤出,造成嚴重的安全隱患和巨大的經濟損失。國內學者圍繞大同、開灤等礦區對非淺埋近距離煤層綜采面礦壓進行了大量研究,而神東礦區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、過溝谷地形和厚風積沙區域等)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采空區的來壓特征研究較少,且神東礦區尚無此方面的數據積累。因此,研究神東礦區淺埋特近距離煤層工作面過常規采空區的礦壓顯現規律尤為重要。本文圍繞石圪臺煤礦淺埋特近距離煤層工作面展開研究,對不同層間距區域工作面礦壓顯現進行現場實測,并進行物理模擬試驗,研究結果為神東礦區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　試驗工作面基本條件

石圪臺煤礦12106和12108綜采工作面均位于1－2煤層一盤區,12106工作面走向長428.2 m,傾斜寬280.2m,煤層厚度2.62～2.95m,設計采高2.8m,與上覆已采1－2上煤層間距為0.8～13.0m。12108工作面走向長334.5 m,傾斜寬149.5m,煤層厚度為2.62～3.24m,平均厚度2.94m,設計采高2.9 m,12108工作面與已采1－2上煤層間距為0.9～7m。12106和12108綜采工作面煤層傾角均為1°～3°,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,采用走向長壁后退式一次采全高綜合機械化采煤法,工作面頂板采用全部垮落法管理。12106工作面采用ZY12000/18/35D兩柱掩護式液壓支架,12108工作面采用ZY8600/17/35D兩柱掩護式液壓支架。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呈增大趨勢,如圖1所示。

2　不同層間距區域工作面礦壓顯現實測

2.1礦壓觀測方案

為便于對比分析不同層間距區域工作面礦壓顯現規律的差異,特選取12108工作面2m層間距區域和12106工作面8m層間距區域進行礦壓觀測。在12106和12108綜采面各布置5個尤洛卡綜采記錄儀,全程實時監測液壓支架工作阻力變化。其中,12106工作面的5個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,結合工作面綜采設備攜帶的PM3液壓支架工作阻力監測數據以及來壓時現場觀測的礦壓顯現分析不同層間距區域工作面呈現的礦壓顯現規律。

圖1　12106和12108工作面層間距等值線圖

2.22m層間距區域工作面來壓特征

12108綜采面初采階段大部分區域層間距為2m。在此區域工作面礦壓特征為初次垮落步距為24.5 m,來壓期間支架最大循環末阻力為8566kN,平均循環末阻力為8050kN,動載系數1.3,來壓持續長度2.4m。周期來壓階段實測周期來壓步距最大為16.8m,最小為7.2m,平均12.8m,來壓期間支架最大循環末阻力為8327 kN,平均循環末阻力為7698kN,動載系數1.24,平均來壓持續長度2.48m,來壓期間液壓支架活柱下縮量平均為6mm,安全閥基本無開啟,工作面頂板完整,煤壁無片幫,工作面礦壓顯現緩和。

2.38m層間距區域工作面來壓特征

實測12106綜采面8m層間距區域的周期來壓步距9.5～11.4m,平均為10.0m;來壓期間支架最大循環末阻力為11980kN,平均循環末阻力為10735kN,動載系數1.25,平均來壓持續長度為1.96 m,非來壓期間支架循環末阻力為8402kN,來壓期間液壓支架活柱下縮量平均為12 mm,安全閥開啟率為16%,頂板破碎,偶爾有輕微漏矸現象,煤壁片幫深度100～300mm,工作面礦壓顯現比2m層間距區域稍大。

2.4不同層間距區域礦壓顯現特征對比

對比2m、8m層間距區域礦壓顯現特征可知:2m層間距區域周期來壓步距和來壓持續長度均比8m層間距區域略微偏大,但周期來壓期間液壓支架活柱下縮量和安全閥開啟率則比8m層間距區域明顯偏小,見表1。和常規工作面礦壓顯現特征相比,淺埋特近距離工作面的來壓持續長度小,動載系數小,安全閥開啟率低,工作面礦壓顯現不強烈。

表1　石圪臺煤礦特近距離工作面礦壓特征

3　層間距對來壓特征的影響

3.1關鍵層位置判別

根據巖層控制的關鍵層理論可知:當煤層上覆巖層中存在多層堅硬巖層時,各堅硬巖層因其變形和破斷特征不同而對其采場頂板巖層運動所起的作用不同。特近距離煤層開采時,兩煤層之間的巖層巖性對下煤層采場礦壓顯現規律有顯著影響。結合12106和12108工作面覆巖特征,選取K38和KB48兩鉆孔柱狀,應用關鍵層判別軟件計算關鍵層位置,其中鉆孔K38位于12106工作面8m層間距區域,鉆孔KB48揭示上下煤層間距為3.2m,但距離12108工作面2 m層間距區域最近,如圖1所示。

表2　K38鉆孔柱狀及關鍵層判別

根據K38鉆孔柱狀及關鍵層判別結果可知: 8m層間距區域層間有一層6.19m厚的粉砂巖屬于亞關鍵層,另外,1－2上煤層覆巖層也存在2層關鍵層,即3.93 m厚的細粒砂巖是亞關鍵層, 5.95m厚的細粒砂巖為主關鍵層,見表2。根據KB48鉆孔柱狀及關鍵層判別結果可推斷2m層間距區域層間不存在關鍵層,而1－2上煤層覆巖層中存在4層關鍵層,即4.19m厚的細粒砂巖、4.02 m厚的中粒砂巖和4.30m厚的細粒砂巖均為亞關鍵層,11m厚的細粒砂巖為主關鍵層,見表3。因此,12106綜采工作面末采階段煤層間距較大,層間有關鍵層;12108工作面初采階段,層間距僅有2m,層間無關鍵層。

表3　KB48鉆孔柱狀及關鍵層判別

3.2關鍵層周期破斷步距分析

巖層的破斷是由巖層自身強度和承載上覆載荷及自身重量決定的,通常關鍵層的周期破斷步距按懸臂梁式折斷計算:

式中:L——關鍵層的周期破斷步距,m;

h——關鍵層厚度,m;

RT——關鍵層的極限抗拉強度,MPa;

q——作用在關鍵層上的載荷,MPa。

由K38鉆孔巖石力學參數可知,1－2上煤層與1－2煤層之間的亞關鍵層參數h為6.19m,RT為1.8MPa,q為0.22MPa,將參數代入式(1)得破斷步距為10.2m。

由KB48鉆孔巖石力學參數可知,1－2上煤層基本頂為4.19m厚細粒砂巖的亞關鍵層,其力學參數h為4.19m,RT為9MPa,q為0.32MPa,將參數代入式(1)得破斷步距為12.8m。

由相關文獻可知,石圪臺煤礦12102工作面4m層間距區域層間無關鍵層,上煤層基本頂層位較低,其礦壓顯現規律主要受上煤層基本頂之上關鍵層控制。鉆孔KB48揭示1－2上煤層直接頂較薄,基本頂層位較低,因此計算第二層亞關鍵層中粒砂巖的破斷步距,其參數h為4.02 m,q為0.47MPa,當抗拉強度取最大值時RT為14MPa,將參數代入式(1)得破斷步距L為12.67m。

結合石圪臺煤礦12106工作面8m層間距區域和12108工作面2m層間距區域的礦壓實測分析:層間無關鍵層時工作面的周期來壓步距和來壓持續長度都比層間有關鍵層時大,而活柱下縮量和安全閥開啟率相對于層間有關鍵層時都較小,層間無關鍵層時工作面礦壓顯現強度總體比有關鍵層時弱。12106工作面8m層間距區域平均周期來壓步距為10.0m,與兩煤層之間6.19m厚的粉砂巖亞關鍵層破斷步距10.2m較吻合,說明12106工作面礦壓顯現規律受該層間關鍵層控制。12108工作面2m層間距區域平均周期來壓步距為12.8m,與1－2上煤層基本頂的4.19m厚細粒砂巖亞關鍵層破斷步距12.8m一致,而通常認為近距離煤層重復采動時下煤層工作面礦壓顯現規律受上煤層基本頂控制,但考慮到上煤層基本頂層位低,經重復采動難以形成結構,且下煤層周期來壓步距與第二層亞關鍵層的破斷步距12.67m也很相近,因此不能傳統地認為下煤層工作面礦壓顯現規律受上煤層基本頂控制。

4　層間距對工作面礦壓規律影響的相似材料模擬試驗

4.1相似材料模擬方案設計及有關參數的選取

為驗證上述理論計算,并深入研究特近距離工作面礦壓顯現規律,采用相似材料模擬試驗進行研究。根據上述兩鉆孔柱狀及關鍵層判別結果可知: 8m層間距區域層間有關鍵層,1－2上煤層覆巖中存在2層關鍵層;2m層間距區域層間無關鍵層, 1－2上煤層覆巖中存在4層關鍵層。結合石圪臺煤礦煤層淺埋深、特近距離賦存條件,將覆巖簡化,設計了上煤層覆巖中均有3層關鍵層的物理模型。層間有關鍵層的物理模型層間距定為8m,即方案1;根據鉆孔KB48揭示層間巖層厚度以及考慮到層間巖層厚度較小時經重復采動模型難以穩定,特將層間無關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力模型架進行試驗,模型架尺寸為2.5m×0.2m×2.0m (長× 寬×高),模型的幾何相似比為1∶100,密度相似比為1∶1.6,應力相似比為1∶160。根據相似理論和牛頓第二定律確定各巖層的有關力學參數,并選擇合適的相似材料依次鋪設各巖層,兩物理模型各巖層相似材料配比見表4、表5。

表4　方案1 層間有關鍵層各巖層相似材料配比表

表5　方案2 層間無關鍵層各巖層相似材料配比表

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其進行養護,適時逐步拆除擋護板,當模型巖層的力學性質、含水率和容重都滿足相似準則時,開始回采試驗。模型煤層開采時上煤層兩側各留200mm邊界煤柱,下煤層兩側各留300mm邊界煤柱,煤層開采中利用自制的模擬支架監測頂板壓力。

4.2試驗結果與分析

模型開采時按步距20～30 mm、時間間隔20min依次開挖上下煤層,上煤層開采完畢,隔一天待覆巖穩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50mm的關鍵層,當下工作面推進至560 mm、650 mm、750 mm和900 mm處時可觀察到層間關鍵層控制覆巖明顯運動,此時對應層間關鍵層破斷塊體長度依次為90mm、100mm和150mm,平均113mm,而模擬支架監測到頂板來壓步距依次為100 mm、100 mm和150mm,平均116mm,兩者長度基本吻合,說明下煤層工作面礦壓顯現規律受層間關鍵層控制。方案2模型回采過程中,亞關鍵層1破碎較嚴重,大部分塊體長度50mm左右,當下工作面推進至600 mm、750 mm、870 mm、1000 mm、1120mm和1260mm等處時可明顯觀察到亞關鍵層2控制上覆巖層一起移動,此時對應的亞關鍵層2形成的破斷塊體長度依次為110mm、120mm、140mm、100mm和170 mm,平均為128 mm,而利用模擬支架監測到頂板來壓步距依次為150 mm、120mm、130mm、120mm和140mm,平均來壓步距為132mm,說明下煤層工作面礦壓顯現規律主要受亞關鍵層2控制。

物理模擬試驗表明:特近距離煤層開采時,層間有關鍵層時下煤層工作面礦壓顯現主要由該層間關鍵層控制;層間無關鍵層時,由于上煤層基本頂層位較低,受重復采動影響破碎嚴重難以形成承載結構,此時下煤層工作面礦壓顯現受上煤層基本頂之上關鍵層的控制。

5　結論

(1)石圪臺礦淺埋特近距離煤層綜采面礦壓顯現不強烈,工作面周期來壓步距變化不大,來壓持續長度小,動載系數小,工作面煤壁片幫漏矸不嚴重。

(2)近距離煤層下行開采中,層間存在關鍵層時,下煤層工作面的礦壓顯現規律受層間關鍵層控制;層間無關鍵層時,下煤層工作面的礦壓顯現規律通常受上煤層基本頂控制,但由于上煤層基本頂層位低,受重復采動影響破碎嚴重難以形成承載結構,此時下煤層工作面礦壓顯現受上煤層基本頂之上關鍵層控制,而且層間無關鍵層的工作面礦壓顯現強度比層間有關鍵層時弱。

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(責任編輯張毅玲)

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

中圖分類號TD323

文獻標識碼A

基金項目:?國家重點基礎研究發展計劃(973)項目(2013CB227900),國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAK04B06)

作者簡介:陳夢(1990－),男,河南商丘人,碩士研究生,任職于神華神東榆家梁煤礦,主要從事巖層移動與綠色開采方面的研究。