下分层综放工作面上覆岩层结构特征

下分层综放工作面上覆岩层结构特征
田昌盛1,2,白占芳3,翟新献1
(1.河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作 454003; 2.内蒙古伊泰集团有限公司宝山乔家煤矿,内蒙 鄂尔多斯 017000; 3.焦作煤业集团方庄矿有限责任公司,河南焦作 454361)y
摘要:我国综放开采技术是在分层综采技术的基础上发展起来的,对于一直采用分层综采的
一些大型厚煤层生产矿井,面临着顶分层采后下分层综放开采技术问题,这个问题与一次采
全厚整层综放开采矿压显现有所不同.下分层综放开采时,二次垮落的直接顶岩层碎胀系数
较小,垮落带高度与采高的比值将增加,造成顶分层开采时下位老顶岩层垮落后转化为规则
垮落带,成为下分层综放工作面的上位直接顶,促使下分层综放工作面的老顶 砌体梁 式
平衡结构向更高层位岩层发展.上位直接顶岩块强度较高、块度较大,容易形成 岩-矸
半拱式平衡结构.该结构的周期性失稳和垮落,造成采场出现小的周期来压现象;而 砌体
梁 平衡结构的周期性失稳和垮落,将导致采场出现大的周期来压现象.
关 键 词:厚煤层;综放工作面;下分层;平衡结构
中图分类号:T D 32 文献标识码:A 文章编号:1007 7332(2006)03 0191 05
0 引 言
我国兖州、徐州、大同、义马等厚煤层矿区或矿井,均在分层综采开采的基础上,进行了顶分层采后下分层综放开采试验;在积累综放开采经验的基础上,再逐渐推广应用一次采全厚整层综放开采技术.兖州鲍店煤矿13032下分层综放面,采用ZFS5200 17/35型低位放顶煤支架开采3号煤层;徐州三河尖煤矿在7131和7121底分层工作面,采用ZFSB3600 16/28型放顶煤支架进行下分层综放开采试验,并开采7号煤层[1];大同煤峪口煤矿采用ZF 4600型低位放顶煤支架,在8810下分层工作面进行综放开采试验[2].与此同时,在这些矿井进行了比较系统的采场矿压观测研究,总结出了下分层综放开采较厚煤层顶分层综采开采时采场矿压显现减弱的现象,并采取了相应的提高顶煤冒放性技术措施,取得了较好的技术经济指标,推动了综放开采在矿井和整个矿区的广泛应用.然而,顶分层采后下分层综放开采,与一次采全厚整层综放开采矿压显现有所不同,如采场矿压显现减弱、支架选型和合理工作阻力计算等问题都不能照搬整层综放开采技术.为了促使现有生产矿井的稳产高产和矿井的可持续发展,扩大下分层综放开采技术的应用范围,进行下分层综放开采上覆岩层结构研究便具有了重要的理论和现实意义.
1 下分层综放工作面矿压显现特点
大量的采场矿山压力实测和理论分析表明,与整层综放开采相比,下分层综放开采时采场矿山压力显现规律具有以下特点[3 5]
:
(1)采场支架静载荷增加、动载荷减小.下分层综放开采直接顶为再生顶板,其悬露性和完整性较差,但矸石的随动性较好,其表现为来压及时,因此,支架工作阻力均大于相同地质条件下整层综放开采.
兖州兴隆庄煤矿不同综放开采条件下支架工作阻力不同,其中下分层综放工作面支架循环末工作第25卷第3期2006年6月 河南理工大学学报JOU RNA L O F HEN AN POLY T ECHNI C U N IV ERSI T Y Vol.25 No.3
Jun.2006
y 收稿日期:2006 02 22基金项目:河南省自然科学基金资助项目(0511051900)
作者简介:田昌盛(1975 ),男,陕西镇安人,从事矿井建设和管理工作.E mail:z haixinxian@
阻力最大,平均为4244kN/架; 孤岛 综放工作面支架工作阻力居中,平均为4059kN/架;整层综放面支架循环末工作阻力最小,平均为3358kN/架,仅为下分层综放工作面支架工作阻力的79%.但由于下分层综放开采时,老顶来压是岩梁的再断裂和重新失稳所致,老顶活动不如整层综放开采时剧烈,其主要表现为:支架动载荷较小,动载系数减小.兴隆庄煤矿整层综放开采时,工作面老顶初次来压时动载系数平均为1.32,周期来压时动载系数平均为1.30;下分层综放开采(有时称为网下综放开采)时,老顶初次来压和周期来压时的采场动载系数平均值分别为1.26和1.16,后者比前者分别减小了0.06和0.14.
(2)下分层综放工作面煤壁片帮深度增大、端面冒顶次数增多;综放面顶底板移近量和支架活柱下缩量,都较整层综放开采时严重,必须采取相应的技术措施.
顶分层综采开采时,由于移动支承压力的作用对综采工作面下部的底煤层进行了预破坏作用,导致煤体中出现了较多次生裂隙.与整层综放面相比,下分层综放工作面顶煤体和煤壁前方截割体在工作面前方移动支承压力重复作用下,将出现较多的次生裂隙,并导致顶煤的强度较前者降低,因此,下分层综放开采较整层综放开采时围岩变形移动量增大,综放面易出现煤壁片帮、端面冒顶现象.兖州兴隆庄煤矿实测表明,下分层综放工作面老顶来压时,工作面煤壁片帮深度为216~254mm,均大于整层综放开采老顶来压时工作面煤壁片帮深度143~183mm ,平均值增大了71~73mm;下分层综放工作面老顶来压前和来压期间顶底板移近量分别为7.28~8.45mm 和19.5~23.65mm ,而整层综放工作面老顶来压前和来压期间顶底板移近量分别为4.4~ 6.12mm 和16.2mm ,前者均大于后者.其中,下分层综放开采时,老顶来压前和来压期间支架活柱下缩量分别为5.25~6.78mm 和18.56~18.90mm ,而整层综放工作面老顶来压前和来压期间支架活柱下缩量分别为2.8~5.0m m 和13.2~15.6mm ,后者均小于前者;所以,同一地质条件下,下分层综放开采比整层综放开采时采场矿压显现较明显和剧烈.
(3)下分层综放开采顶煤次生裂隙发育,二次破断垮落后块度较大,大块煤在放出运移过程中相互挤压咬合,因此,后期放顶煤时,在放煤口的上方易形成 煤!煤 、 煤!矸 和 矸 矸 平衡拱结构,该结构上方的顶煤暂时处于稳定状态,难以从放煤口放出,影响了放煤效果和顶煤放出率.
大同忻州煤矿89242下分层综放工作面,开采的煤层平均剩余厚度为5.65m [6];工作面周期来压不明显,来压时的动载系数仅为1.01~ 1.19,平均为1.08;支架平均工作阻力为2685.4kN/架,仅为支架额定工作阻力5500kN/架的48.8%;顶煤在工作面煤壁前方1~3m 处开始出现微小移动.这说明顶分层预采后,下分层综放开采时移动支承压力不大,难以有效压裂顶煤,顶煤移动呈现整体运移的特征.但顶煤垮落后块度较大,统计结果显示,垮落顶煤的块度主要集中在0.3m 以下,平均块度大于0.22m.其中,工作面下部、中部和上部垮落顶煤平均块度依次为0.18、0.17和0.31m ;所以,垮落顶煤下分层综放开采时,应采用块体力学来研究垮落顶煤的放出规律,这比用散体的椭球体理论更符合现场实际情况.
兖州鲍店煤矿13032顶分层采后金属网下综放工作面开采的3号煤层,其剩余煤层厚度为5.1~
7.9m,平均为6.1m [7,8].工作面基本支架为ZFS5200 17/35型放顶煤支架.放顶煤初期,顶煤一般较碎,呈块度较小的松散体,打开放煤口后,顶煤能够顺利放出;但在放煤末期,顶煤块度较大,时常出现大块煤堵口现象.观测显示,在支架摆动尾梁的上方经常出现 煤!煤 、 煤!矸 和 矸!矸 3种类型平衡拱结构,前者平衡拱结构由数块大块煤组成,中间平衡拱结构由数块大块煤和大块矸石组成,后者平衡拱结构主要由数块大块矸石组成.鲍店煤矿13032下分层综放工作面矿压观测表明,放顶煤后期,放煤口上方能够形成平衡拱结构的支架数量占工作面支架总数的38.3%,在这3类平衡拱结构中, 煤!煤 、 煤!矸 和 矸!矸 平衡拱结构,分别占到50%、30%和20%;所以, 煤!煤 平衡拱结构是下分层综放面,放煤口上方出现的主要为平衡拱结构.这3类平衡拱结构的前拱脚在掩护梁和摆动尾梁铰接点上方的掩护梁上,后拱脚在采空区底板上或底板堆积的矸石上.通过摆动尾梁和伸缩活动插板,仅能放出平衡拱内的碎煤和块煤,不能促使平衡拱结构的失稳和破坏,因此,平衡拱以上的顶煤难以放出,对顶煤的放出率影响较大.现场试验表明,促使 煤!192 河南理工大学学报(自然科学版) 2006年第25卷
煤 、 煤!矸 平衡拱结构失稳破坏的有效措施为:降架、升架和移动支架;摆动掩护梁,使掩护梁倾角减小,导致平衡拱前脚失稳破坏;打开与平衡拱结构相邻支架的放煤口,将相邻支架的顶煤先行放出,对平衡拱结构以外的顶煤和矸石进行扰动,造成平衡拱结构失稳破坏,促使垮落松散的顶煤、矸石运移.采取 见矸关门 的放煤方式,不但可以有效地将顶煤口上方顶煤放净,减少放煤工艺对顶煤的损失,而且还可以提高顶煤的放出率.
2 下分层综放面上覆岩层结构
2.1 下分层综放面上覆岩层结构力学模型
义马常村煤矿2 3煤层下分层综放工作面直接顶为0~ 5.0m 厚的砂质泥岩,其上为顶分层2 1煤层开采时的垮落岩层;所以,随着2 3煤层综放面截割体的割出和顶煤体的放出,两煤层之间的岩层初次垮落后,松散的上位直接顶矸石在自重作用下,可以及时垮落.顶板岩层垮落是从下位岩层到上位岩层依次进行分次垮落,但由于2 3煤层采出高度增加,顶分层综采开采
时垮落带岩层再次垮落后,重复采动岩石碎胀系数减小,
不能充满采空区,使垮落带高度继
续向上发展;所以,顶分层2 1煤
层开采时,作为老顶的下位岩层,
因下部空间较大,岩梁下沉转动后
将发生断裂、垮落,成为下分层综
放开采新增加的垮落带.由于该岩
层强度较高、块度较大,在下沉和
转动过程中,岩块之间可以形成
岩!矸 半拱式平衡结构;因此,
下分层综放面在该结构上方更高层
位的岩层下沉量较小,能够形成
砌体梁 式平衡结构.常村煤矿
下分层综放工作面上覆岩层结构力学模型如图1所示[9],则
h d +h t +Z +m Z 1∀k #+m Z =Z ∀k +m Z 1∀k ∃+m Z ∀k +S A +h f .
(1)下分层综放开采时,除2 3煤层与2 1煤层之间岩层垮落外,新增加的垮落带岩层高度m Z 为
m Z =(h d +h t )-Z(k -1)+m Z 1(k #-k ∃)-S A -h f k -1
= (2.4+4.2)-5.0%(1.35-1)+6.05%(1.05-1.25)-1.23-0.841.35-1
=4.49m ,(2)式中,h d 为采煤机割煤高度, 2.8m ;h t 为放顶煤高度, 4.2m ;Z 为2 3煤层与2 1煤层之间层间距,5.0m ;k 为新增垮落带岩层及煤层间垮落岩层的碎胀系数,取1.35;k #、k ∃分别为垮落带岩层压实后残余碎胀系数和二次垮落矸石碎胀系数,分别取1.05和1.25;S A 为老顶岩梁在触矸处的下沉量,S A =0.2%(h d + h t )=0.2%(2.8+0.8%4.2)=1.232m ,其中 为顶煤放出率,取0.8;h f 为采空区残留的浮煤高度,h f =h t (1- )=4.2%(1-0.8)=0.84m .
2 3煤层下分层综放开采时,垮落带岩层的总厚度m Z 为
m Z =Z +m Z 1+m Z =5+6.05+4.49=15.54m.(3)
因为重复采动二次垮落矸石的碎胀系数较小,随着下分层综放开采采高的增加,垮落带高度增加,常村煤矿下分层综放工作面垮落带高度为15.54m,约为综放面采高的2.22倍,即综放工作面垮采比为2.22,该值大于顶分层综采工作面垮采比1.82.
2.2 上覆岩层结构下分层综放开采,由于一次采出厚度大,采空区空间成倍增加;因此,直接顶垮落后,垮落带高193第3期 田昌盛等:下分层综放工作面上覆岩层结构特征
度也成倍地增加才能维持整个采场围岩的平衡.根据垮落带内岩层垮落后岩石的变形和破碎特点,前苏联学者库兹佐涅夫提出了 铰接岩梁 学说,将垮落带分为下部不规则垮落带和上部规则垮落带两个分带,其中不规则垮落带内的岩层,由于下部有足够的空间可以自由运动,造成垮落后矸石堆积杂乱无章;规则垮落带内的岩层,其下沉量小于岩梁的高度,垮落后在采空区呈现规则排列.根据综放工作面顶板岩层内规则垮落带岩层和裂隙岩梁变形、运动和平衡特征的不同,采场顶板出现两种基本结构形式,即 岩!矸 半拱式平衡结构和 砌体梁 平衡结构.
砌体梁 平衡结构由于远离采场而且结构稳定,因而它的断裂失稳对采场影响较小.在 砌体梁 结构下方,规则垮落带内已断裂的直接顶由于块度较大,在变形和垮落过程中与后方已垮落的矸石间相互转动、挤压,可形成 岩!矸 半拱式平衡结构,其结构的稳定性在高度上是变化的.研究证明,不规则垮落带高度一般为煤层采出厚度的1.0~1.2倍.由于该区内垮落岩石块度较小,有时可能形成短时的挤压平衡拱结构,但该结构的形成、失稳具有随机性,对支架载荷没有明显的影响;所以,规则垮落带内岩层以 给定载荷 的方式对支架进行作用.但该结构的存在减少了直接顶对顶煤作用力,影响到顶煤特别是上位顶煤的运动规律,并对综放面顶煤的回收率产生了一定的影响.规则垮落带位于煤层以上(1~1.2)m ~(1.8~3.2)m 之间.由于该区内岩石强度较高、块度较大,垮落后岩层能够整齐地排列,大岩块在下沉、转动和垮落过程中,岩块之间相互挤压、咬合,使之形成较稳定的 岩!矸 半拱式平衡结构.由于该结构的形成和失稳过程具有较明显的周期性,对采场支架载荷具有较明显的影响,但采场动载系数较小,所以将这种周期来压时的矿山压力现象称为小周期来压显现;裂隙带 砌体梁 平衡结构与 岩!矸 半拱式结构的同时失稳,将造成综放面出现较剧烈的矿山压力显现,如支架载荷明显升高、煤壁片帮和端面冒顶等现象,称为大周期来压显现.
老顶活动对采场矿压显现影响的实质,是由于老顶的断裂和回转造成下方 岩!矸 半拱式平衡结构失稳,从而使采场支架载荷急剧增加、煤壁片帮加深,顶底板移近量和支架活柱下缩量增大,并表现为采场动载系数较大;所以,这时的综放工作面的周期来压称为大周期来压现象.砌体梁结构对综放面基本支架作用方式为 给定变形 或 限定载荷 ,因此大周期来压期间,采场支架的载荷最大,支架必须承担 砌体梁 结构下方的直接顶和顶煤的重量以及老顶岩梁的部分作用力.
老顶来压过程是由于老顶的断裂回转所产生的力矩直接作用在煤壁前方,造成综放面出现超前支承压力;所以,老顶来压期间,综放面会出现煤壁片帮、端面冒顶现象.随着老顶的继续回转,综放面出现支架增阻和活柱下缩等现象;因此,可以将煤壁片帮作为综放面老顶来压的预兆.
3 结 论
(1)大量的采场矿山压力观测表明,下分层综放开采与一次采全厚整层综放开采相比,采场矿山压力显现规律具有以下特点:采场支架静载荷增加、动载荷减小;下分层综放工作面煤壁片帮深度、端面冒顶次数,以及顶底板移近量和支架活柱下缩量,都较整层综放开采时严重;下分层综放开采顶煤垮落后块度较大,大块煤在放出运移过程中相互挤压、咬合,在放煤口的上方容易形成 煤!煤 、 煤!矸 和 矸!矸 平衡拱结构.
(2)厚煤层顶分层综采开采后,顶板岩层经历了一次采动,岩层的原始状态遭到破坏,岩层强度减弱,岩层整体已经变软,所以,下分层综放开采时,二次垮落的直接顶岩层碎胀系数较小,垮落带高度与采高的比值将增加,即垮采比增大,造成顶分层开采时的下位老顶岩层垮落后转化为规则垮落带,成为下分层综放工作面的上位直接顶,促使下分层综放工作面的老顶 砌体梁 式平衡结构向更高层位岩层发展.由于上位直接顶岩块强度较高、块度较大,容易形成 岩!矸 半拱式平衡结构,而该结构的周期性失稳和垮落,造成采场出现小的周期来压现象; 砌体梁 平衡结构的周期性失稳和垮落,又将导致采场出现大的周期来压现象.
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Character of Overlying Strata Structure for Fully M echanized Coal
Face w ith Sublevel Caving in Lower slicing
TIAN Chang sheng 1,2,BAI Zhan fang 3,ZHAI Xin x ian 1
(1.School of Energy Science and Engine er ing ,Henan Polytech nic University,Jaoz uo 454000,China;2.Baosha n Qiaoj ia Coal M ine ,Yitai Gr oup L td Co,E &er Duosi City 017000,China;3.Fangz huang Colliery L td Co,Jiaoz uo Coal Group ,Jiaoz uo 454361,China )Abstract:Based on fully mechanized m ining in slicing,fully mechanized m ining w ith sublevel cav ing or FMM SC has been developed.With fully mechanized mining in slicing,some large production coal mines are confronted w ith problems of FMM SC in lower slicing w hile top slicing of thick seam has been ex cavat ed.Behaviors of ground pressure of FMM SC in low er slicing have some different from that in w hole seam.Ow ing to expansion factor of re caving roof strata being smaller while lower slicing seam is excavated w ith FMM SC,the ratio of caved zone heig ht to mining heig ht w ill increased.Former Basic roof stratum while top slicing seam w as ex cavated,has being translated into caved zone and has become upper immediate roof stratum.So,it is the equilibrium structure w ith stacked layer of blocks in basic roof w ith FM MSC in low er slicing that moves into a higher stratum.Since lum p size of upper immediate roof is large,a semi arch equilibrium structure of the stratum rock sometimes can be formed.Periodic destabilization and caving of the structure w ill lead to a small periodic w eighting in coal face.While destabilization and caving of the e quilibrium structure w ith stacked layer of blocks w ill cause of large periodic weig hting.
Key words:thick seam;fully mechanized mining w ith sublevel caving;low er slicing;equilibrium struc ture
(责任编校 杨玉东)195
第3期 田昌盛等:下分层综放工作面上覆岩层结构特征。