郑州矿区告成矿煤层底板“下三带”范围研究与应用

收稿日期:2020-11-12
基金项目:国家自然科学基金项目(52064047);陕西省科技计划项目(2020SF -418);榆林学院博士科研启动基金项目(17GK06)作者简介:刘玉卫(1978-),男,河南平顶山人,高级工程师,博士,主要从事矿山压力及地下空间支护研究㊂
郑州矿区告成矿煤层底板 下三带 范围研究与应用
刘玉卫1,2,商铁林3,王㊀浩1,刘应然1
(1.郑州工程技术学院土木工程学院,河南郑州450044;2.郑煤集团工程技术研究院,河南郑州450042;
3.榆林学院能源工程学院,陕西榆林719000)
摘㊀要:由于告成矿属煤与瓦斯突出矿井,矿区要在煤层底板布置瓦斯抽放巷疏放瓦斯,这就需要掌握巷道底板三带的范围㊂通过对告成煤矿21061工作面三软煤层巷道底板现场调查㊁岩石物理力学实验㊁数值分析,得到了巷道底板下三带的范围㊂研究表明:底板破裂带最大深度达到13m ;裂隙带在工作面
倾向的下侧深度达到25.3m ,在工作面中部达15.6m ,在工作面上侧达21.1m ;而原岩带处于底板深
度21m 外,适合布置底板巷道㊂
关键词:瓦斯突出;煤层底板;下三带;裂隙带;破裂带;原岩带
中图分类号:TD325㊀文献标志码:A㊀文章编号:1008-3871(2021)02-0005-04DOI :10.16752/ki.jylu.2021.02.002
㊀㊀告成矿位于河南登封东南12km 的告成镇境内,距郑州市71km,是郑州煤电公司旗下的主力矿
井之一㊂井田面积34.1272km 2,开采标高为150m
~600m,矿井主采二1煤层㊂井田因受滑动构造影
响,造成了滑动构造的下盘㊁上盘以及滑动构造带具有不同的构造特征,矿区二1煤层顶板受滑动构造影响范围达21.5km 2㊂
告成矿是郑煤电的主力矿井,又地处滑动构造
带的影响,它的顺利接替直接关系到矿井的产量㊂而顺利接替的关键是保证准备工作面瓦斯预抽能够达标,因此,底抽巷的布置合不合理至关重要㊂以往底抽巷的布置主要靠经验来确定位置,缺少层位选取的理论研究,致使布置的底抽巷出现了前掘后修的恶性循环问题,这不仅影响了安全,也耽搁了时间[1]㊂
因此,本文通过现有的科学手段采用现场调查㊁
实验室实验和数值模拟等方法,开展滑动构造影响条件下的采动底板破坏范围研究,对确定煤㊁岩巷的合理层位选择及后期巷道支护等[2]都具有重要的指导意义㊂
1煤层底板下三带 的划分
1.1传统 下三带 概念
传统的采场底板 下三带 概念,最早由煤炭科
学研究总院北京开采所的刘天泉院士提出,称为 底三带 [3-5]㊂后来,在承压水体上采煤底板岩层突水机理与预测预报研究中,逐步发展为 下三带 学说[6,7]㊂ 下三带 是指在煤层开采过程中,煤层底板岩层由上到下形成的底板导水破坏带㊁有效隔水层保护带和承压水导升带
[8,9]
:
(1)底板导水破坏带(I 带):指由于采动矿压的
作用,底板岩层连续性遭到破坏,导水性发生明显改变的层带㊂
(2)有效隔水层保护带(II 带):指保持采前岩层的连续性及其阻抗水性能的岩层㊂
(3)承压水导升带(III 带):指含水层中的承压
水沿隔水底板中的裂隙或断裂带上升的高度㊂1.2基于底板巷道稳定性的 下三带 划分
传统 下三带 主要针对底板突水性进行划分
的,告成煤矿所需 三带 主要用于煤层底板的巷道掘进,重点考虑巷道稳定性㊂
在底板布置的巷道必须承受得住工作面回采带来的影响,主要考虑的指标是:(1)围岩破坏程度:
㊀2021年03月第31卷㊀第2期
榆林学院学报
JOURNAL OF YULIN UNIVERSITY
Mar.2021Vol.31No.2
以围岩是否出现塑性区为指标㊂该指标评价巷道围岩的破坏程度,是巷道稳定性的基础㊂(2)应力集中程度:以底板集中应力系数为指标㊂该指标涉及巷道受力大小,影响巷道的变形程度和稳定性㊂(3)透水程度:以围岩裂隙场为指标,基于传统三带的导水裂隙带㊂
2告成矿煤层底板 下三带 数值模型
由于告成煤矿属煤与瓦斯突出矿井,矿井需要在煤层底板布置瓦斯抽放巷,来提前解放回采煤层的瓦斯,而告成煤矿21061工作面是该矿井主采工作面,21061工作面顺利投产对矿井至关重要,这就需要掌握该工作面底板三带的范围,同时也为后续工作面底板瓦斯抽放巷的布置提供参考依据㊂采用FLAC3D数值计算软件,对告成煤矿21061工作面进行分析,并确定围岩应力场分布和底板三带划分㊂告成煤矿21061工作面平面位置和剖面位置如图1和图2所示㊂上覆岩层392m,平均密度2500 kg/m3,岩层倾角9ʎ,工作面倾向斜长150m㊂数值计算模型模拟工作面推进方向120m,达到充分采动距离,可包括初次来压和几次周期来压对底板的影响㊂模型高度112m,模型留设边界30m,模型块体数450000㊂模型岩层参数来源于12209勘探钻孔㊂数值模拟物理力学参数如表1所示,建立数值模拟模型如图3所示
㊂
图1㊀21061
工作面平面位置图
图2㊀21061工作面剖面位置图
表1㊀煤层顶底板岩性及力学参数
层号岩石
名称
累深/m厚度/m
密度/
(kg/m3)
抗压
强度/
MPa
弹性
模量/
GPa泊松比
抗拉
强度/
MPa
内聚力/
MPa内摩擦角/
(ʎ)
1细粒砂岩426.57.4269079.754.390.20 3.7 5.8739.2 2断层角砾岩431.0 4.52320 6.915.600.300.8 1.019.0 3粉砂岩435.6 4.627002034.590.26 2.6 3.938.0 4中粒砂岩441.1 5.526702025.400.28 2.5 3.0239.8 5砂质泥岩445.8 4.724101835.60.25 2.7 3.920.0 6二1煤450.0 4.213500.90532.980.280.10.720.0 7砂质泥岩458.58.524101835.600.25 2.7 3.922.0 8泥岩460.1 1.6230012.333.280.300.2 3.533.3 9石灰岩465.6 5.5273017.030.500.27 2.0 3.033.5 10砂质泥岩466.8 1.224101835.600.25 2.7 3.930.0 11细粒砂岩469.0 2.2269079.744.390.21 2.7 3.632.2 12石灰岩475.3 6.3273020.043.500.23 3.2 4.130.0 13泥岩480.1 4.8230012.333.280.300.2 3.533.3 14中粒砂岩483.8 3.026702025.400.28 2.5 3.039.8 15砂质泥岩485.4 2.324101835.600.25 2.7 3.920.0 16泥岩488.6 3.2230012.333.280.300.3 3.533.3 17石灰岩491.8 3.2273060.556.70.22 4.9 3.534.4 18泥煤494.3 2.517809.832.800.29 1.5 1.521.0 19石灰岩507.813.5273060.556.700.20 4.9 4.239.5㊃6㊃榆林学院学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2021年第2期(总第154期)
图3㊀数值计算模型
3煤层底板 下三带 的划分
3.1破裂带
工作面开采后的倾向剖面超前支承压力分布,如
图4所示㊂在工作面推进过程中,该区域离煤层最近,将经历工作面前方支承压力(1.5倍原岩应力)的作用,还要经受采空区中部底板拉破坏的作用㊂该区域裂隙最发育,甚至出现断裂,称为 破裂带 ㊂破裂带为中部高两侧下凹然后翘起的 鱼背
型分布(图4中虚线所示),工作面下侧深度9m,中
部深13m,上部8m㊂该带围岩裂隙发育,围岩存在透水性,且受采动集中应力影响,巷道维护困难,是巷道布置必须避开的区域
㊂
图4㊀工作面前方压力峰值区倾向剖面垂直应力图3.2裂隙带
工作面沿采空区倾向剖面破坏区(剪切破坏和
拉破坏区)分布如图5所示,在此区域内围岩剪切和张拉裂隙发育,称为裂隙带,呈 马鞍形 分布㊂该带在工作面倾向的下侧深度达到25.3m,工作面
中部深度15.6m,工作面上侧深度21.1m,如图6
所示㊂该带比破裂带范围稍大,围岩裂隙发育,受到支承压力的一定影响,也不利于布置巷道
㊂
图5㊀
工作面采空区倾向剖面破坏区图
图6㊀工作面底板三带图
3.3原岩带
处于裂隙带以外的区域,基本处于原岩应力,岩
层处于原岩状态,该区域称为原岩带㊂在工作面采空区内,该区域位于底板深度21m 以外,是适于布置底板巷道的区域㊂
3.4合理的巷道布置位置
虽然在采场倾斜剖面底板三带(图6)中,采空
区下方裂隙带范围为15.6m,但布置巷道时,还需要考虑沿走向工作面煤壁下方的裂隙带,深度为21.1m,如图7所示㊂
因此,告成煤矿二1煤层底板巷道应当布置于
距煤层21m 以外的位置较为合适㊂
图7㊀工作面走向剖面裂隙带分布
4结论
通过对告成煤矿21061工作面煤层巷道底板下三带的研究,取得如下基本结论:
(1)破裂带:该带围岩裂隙发育,围岩存在透水
性,且受采动集中应力影响,巷道维护困难,是巷道布置必须避开的区域㊂破裂带为 鱼背 型分布,最大深度13m㊂
(2)裂隙带:在此区域内围岩剪切和张拉裂隙
发育,称为裂隙带,呈 马鞍形 分布㊂该带在工作面倾向的下侧深度达到25.3m,工作面中部深度15.6m,工作面上侧深度21.1m㊂该带,围岩裂隙
发育,受到支承压力的一定影响,也不利于布置巷道㊂
(3)原岩带:处于裂隙带以外的区域,基本处于
原岩应力,岩层处于原岩状态,该区域称为原岩带㊂在采空区下部,该区域基本处于底板深度21m 外,
适于布置底板巷道㊂
(4)通过分析研究得到的结论,为郑州矿区底
板瓦斯抽放巷道层位的布置,提供了科学依据㊂
㊃
7㊃刘玉卫,商铁林,王㊀浩,刘应然:郑州矿区告成矿煤层底板 下三带 范围研究与应用
㊃8㊃榆林学院学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2021年第2期(总第154期)参考文献:
[1]张沛,黄庆享.三软强变形煤巷复合支护技术研究[J].煤矿开采,2017,22(2):44-46.
[2]刘玉卫.郑州矿区三软煤层巷道围岩变形机理与协同支护技术研究[D].西安:西安科技大学,2013.
[3]张金才,刘天泉.论煤层底板采动裂隙带的深度及分布特征[J].煤炭学报,1990,15(2):46-55.
[4]张文泉,李白英. 下三带 理论的发展和应用[C]//中国煤炭学会.矿井地质与资源环境 2004年全
国矿井地质学术会议论文集.北京:地质出版社,2004:3-9.
[5]李白英.预防矿井底板突水的 下三带 理论及其发展与应用[J].山东矿业学院学报(自然科学版), 1999(4):11-18.
[6]李宏武.煤层底板破坏深度的应变法研究[J].矿业安全与环保,2011,38(6):44-46.
[7]李家卓.采场底板围岩应力壳力学特征研究[D].淮南:安徽理工大学,2015.
[8]孙柏坤,黄瑛.煤层底板 下三带 突水防治措施探析[J].黄河水利职业技术学院学报,2017,29(3):40-42.
[9]王国际,杨腾飞,王公忠,等.基于 下三带 理论的底板隔水层破坏机理研究[J].中州煤炭,2011(11):4 -5+24.
(责任编辑:段玉梅) Research and Application of Lower-three-zone in Coal Floor of
Gaocheng Coal Mine in Zhengzhou Mining Area
LIU Yu-wei1,2,SHANG Tie-lin3,WANG Hao1,LIU Ying-ran1
(1.School of Civil Engineering,Zhengzhou University of Technology,Zhengzhou450044,China;
2.Zhengzhou Coal Industry(Group)Co.Ltd.,Zhengzhou450042,China;
3.School of Energy Engineering,Yulin University,Yulin719000,China) Abstract:Because Gaocheng coal mine is rich in coal and gas,it is necessary to master the scope of three zones of floor to arrange gas drainage roadway in coal seam floor.Based on the field investigation,physical and mechanical experiment of rock and numerical analysis of roadway floor in three soft coal seams of21061working face in Gaocheng coal mine,the scope of three zones under the roadway floor is obtained.The results show that the maxi-mum depth of the floor fracture zone is13m;the depth of the fissure zone in the lower side of the working face dip is25.3m,15.6m in the middle of the working face,and21.1m in the upper side of the working face,while the original rock zone is beyond the floor depth of21m,which is suitable for floor roadway layout.
Key words:coal and gas outburst;coal seam floor;lower-three-zone;fissure zone;fracture zone;original rock zone。