陳夢(mèng)　朱衛(wèi)兵　溫嘉輝　張冬冬(.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院深部煤炭資源開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇省徐州市,226; 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,7936)

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淺埋近距離煤層間距對(duì)工作面來(lái)壓特征的影響研究?

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(kāi)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(kāi)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,由于上煤層基本頂層位低,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(kāi)采 關(guān)鍵層 礦壓顯現(xiàn)

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(kāi)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(kāi)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(guò)溝谷地形和厚風(fēng)積沙區(qū)域等)的安全開(kāi)采,在煤層間距小至0.8～8m特近距離條件下工作面過(guò)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(guò)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(kāi)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(lèi)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(pán)區(qū),12106工作面走向長(zhǎng)428.2 m,傾斜寬280.2m,煤層厚度2.62～2.95m,設(shè)計(jì)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(zhǎng)334.5 m,傾斜寬149.5m,煤層厚度為2.62～3.24m,平均厚度2.94m,設(shè)計(jì)采高2.9 m,12108工作面與已采1－2上煤層間距為0.9～7m。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(kāi)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(jiàn)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。

圖1　12106和12108工作面層間距等值線圖

2.22m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8566kN,平均循環(huán)末阻力為8050kN,動(dòng)載系數(shù)1.3,來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度2.4m。周期來(lái)壓階段實(shí)測(cè)周期來(lái)壓步距最大為16.8m,最小為7.2m,平均12.8m,來(lái)壓期間支架最大循環(huán)末阻力為8327 kN,平均循環(huán)末阻力為7698kN,動(dòng)載系數(shù)1.24,平均來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度2.48m,來(lái)壓期間液壓支架活柱下縮量平均為6mm,安全閥基本無(wú)開(kāi)啟,工作面頂板完整,煤壁無(wú)片幫,工作面礦壓顯現(xiàn)緩和。

2.38m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9.5～11.4m,平均為10.0m;來(lái)壓期間支架最大循環(huán)末阻力為11980kN,平均循環(huán)末阻力為10735kN,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8402kN,來(lái)壓期間液壓支架活柱下縮量平均為12 mm,安全閥開(kāi)啟率為16%,頂板破碎,偶爾有輕微漏矸現(xiàn)象,煤壁片幫深度100～300mm,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(kāi)啟率則比8m層間距區(qū)域明顯偏小,見(jiàn)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(kāi)啟率低,工作面礦壓顯現(xiàn)不強(qiáng)烈。

表1　石圪臺(tái)煤礦特近距離工作面礦壓特征

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(kāi)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3.2m,但距離12108工作面2 m層間距區(qū)域最近,如圖1所示。

表2　K38鉆孔柱狀及關(guān)鍵層判別

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6.19m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, 5.95m厚的細(xì)粒砂巖為主關(guān)鍵層,見(jiàn)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4.19m厚的細(xì)粒砂巖、4.02 m厚的中粒砂巖和4.30m厚的細(xì)粒砂巖均為亞關(guān)鍵層,11m厚的細(xì)粒砂巖為主關(guān)鍵層,見(jiàn)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。

表3　KB48鉆孔柱狀及關(guān)鍵層判別

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,MPa;

q——作用在關(guān)鍵層上的載荷,MPa。

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6.19m,RT為1.8MPa,q為0.22MPa,將參數(shù)代入式(1)得破斷步距為10.2m。

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

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0.47MPa,當(dāng)抗拉強(qiáng)度取最大值時(shí)RT為14MPa,將參數(shù)代入式(1)得破斷步距L為12.67m。

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2m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(kāi)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10.0m,與兩煤層之間6.19m厚的粉砂巖亞關(guān)鍵層破斷步距10.2m較吻合,說(shuō)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12.8m,與1－2上煤層基本頂?shù)?.19m厚細(xì)粒砂巖亞關(guān)鍵層破斷步距12.8m一致,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12.67m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2.5m×0.2m×2.0m (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(jiàn)表4、表5。

表4　方案1 層間有關(guān)鍵層各巖層相似材料配比表

表5　方案2 層間無(wú)關(guān)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(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(kāi)始回采試驗(yàn)。模型煤層開(kāi)采時(shí)上煤層兩側(cè)各留200mm邊界煤柱,下煤層兩側(cè)各留300mm邊界煤柱,煤層開(kāi)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(kāi)采時(shí)按步距20～30 mm、時(shí)間間隔20min依次開(kāi)挖上下煤層,上煤層開(kāi)采完畢,隔一天待覆巖穩(wěn)定后開(kāi)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(guān)鍵層,當(dāng)下工作面推進(jìn)至560 mm、650 mm、750 mm和900 mm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90mm、100mm和150mm,平均113mm,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150mm,平均116mm,兩者長(zhǎng)度基本吻合,說(shuō)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(guò)程中,亞關(guān)鍵層1破碎較嚴(yán)重,大部分塊體長(zhǎng)度50mm左右,當(dāng)下工作面推進(jìn)至600 mm、750 mm、870 mm、1000 mm、1120mm和1260mm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110mm、120mm、140mm、100mm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150 mm、120mm、130mm、120mm和140mm,平均來(lái)壓步距為132mm,說(shuō)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(kāi)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(kāi)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。

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(責(zé)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(lèi)號(hào)TD323

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

基金項(xiàng)目:?國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2013CB227900),國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAK04B06)

作者簡(jiǎn)介:陳夢(mèng)(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(dòng)與綠色開(kāi)采方面的研究。