大同矿区双系煤层开采煤柱影响下的强矿压显现机理_于斌

表 1 同忻煤矿石炭系 3-5 号煤层赋存条件 Table 1 Carboniferous coal seam occurrence conditions
of No． 3-5 seam in Tongxin Mine
顶底板 岩性
厚度 / m
岩性特征
基本顶 直接顶
煤层 直接底
粗粒砂岩
4． 40 ~ 13． 48 8． 20
(1. School of Mines,China University of Mining & Technology,Xuzhou 221116,China;2. Datong Coal Mine Group Company, Datong 037003, China; 3． State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining & Technology,Xuzhou 221116,China)
同忻煤矿双系煤层间分布着细粒砂岩、粗粒砂 岩、煤层、粉砂岩、中粒砂岩、岩砾岩、砂质泥岩,其中 砂质 岩 性 岩 层 约 占 90% ~ 95% , 泥 岩 与 煤 层 仅 占 5% ~ 10% ,双系煤层间距 150 ~ 200 m。 8202 工作面 开采侏罗系 14 号煤组,该煤组含 2 个可采煤层,上部 为 14-2 号分层,下部为 14-3 号分层,煤层总厚 3． 0 ~ 5． 0 m;8105 放顶煤工作面开采石炭系 3 -5 号煤层, 煤层 总 厚 7． 9 ~ 21． 6 m, 平 均 13． 7 m, 机 采 高 度 3． 5 m。 同忻煤矿石炭系 3 -5 号煤层顶底板赋存条 件,见表 1。
大同矿区主要赋存有侏罗系与石炭系双系煤层。 目前,侏罗系煤层开采已近完毕,石炭系厚及特厚煤
层成为主要的开采煤层。 大同矿区同忻煤矿石炭系 煤层由于赋存较深、厚度较大、结构复杂、顶板与煤层
收稿日期:2013-10-16 责任编辑:常 琛 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51174192) ;江苏省研究生培养创新工程资助项目( CXLX12_0964) 作者简介:于 斌(1962—) ,男,黑龙江海伦人,教授级高级工程师。 Tel:0352-7868878,E-mail:yubin0352@ 163. com
Abstract:In Datong mining area,carboniferous coal seam of 8105 working face under the Jurassic coal gob pillar leaving was characterized by strong pressure,with the theoretical analysis and field testing applied,the Jurassic coal minedout area of coal pillar stress influence law and carboniferous coal seam roof collapse of crack zone was analyzed,and obtained a dual-line coal seam mining face under strong influence column of the strata “ coal pillar-overburden movement” joint mechanism. It shows that the Jurassic coal gob pillar leaving in the horizontal and vertical stress is higher, up to 10. 5-13. 5 MPa,and stress concentration zone depth of 40-70 m,the shear stress spread range up 180 m;The roof of 8105 working face collapse crack zone height range is 150-170 m;face appeared a strong pressure of coal pillar is made up of the coal pillar and coal seam roof collapse result of combined effects of crack movement. Key words:Datong mining area;dual system of coal seam;gob pillar;strong pressure;stress influence;electromagnetic imaging
目前对于顶板结构中含煤柱问题的宏观探讨虽然已进行了一定的研究j并得到了煤柱影响条件下的顶板稳定条件破坏机理以及顶板冲击来压特征等以及对于建筑物下煤柱留设和煤柱影响下的巷道稳定性问题进行了广泛探讨j并得到了煤柱安全留设尺寸的标准以及煤柱影响下的巷道稳定以及失稳机理等但对于煤柱影响条件下矿压显现的机理目前仍没有统一定论而对于该问题的分析尚有待于进一步研究
灰白色,石英为主,分选差,次 棱角状,硅质胶结,坚硬
砂质泥岩
0． 10 ~ 1． 60 0． 78
灰黑色,含化石,节理发育,致 密,块状
型煤
7． 9 ~ 21． 6 裂隙发育,易塌落,结构复杂,
13． 7
含夹矸 9 层,平均 0． 21 m
砂质泥岩
0． 40 ~ 10． 34 4． 03
灰白色,石英为主,长石次之, 含有白云母,巨厚层状
摘 要:针对大同矿区石炭系煤层 8105 工作面过上覆侏罗系煤层采空区留设煤柱时的强矿压显现 特征,采用理论与现场实测分析相结合的方法,对侏罗系煤层采空区煤柱的应力影响规律与石炭系 煤层顶板的垮裂带范围进行了分析,得到了双系煤层开采煤柱影响条件下工作面强矿压显现的 “煤柱-覆岩运动”联合作用机理。 研究表明:侏罗系煤层采空区留设煤柱的水平与垂直应力较高, 达 10. 5 ~ 13. 5 MPa,应力集中区深度为 40 ~ 70 m,剪应力波及范围达 180 m;8105 工作面顶板的垮 裂带高度为 150 ~ 170 m;工作面过煤柱时的强矿压显现是由采空区煤柱与煤层顶板垮裂运动联合 作用的结果。 关键词:大同矿区;双系煤层;采空区煤柱;强矿压;应力影响;电磁成像 中图分类号:TD323 文献标志码:A 文章编号:0253-9993(2014)01-00强矿压显现机理
于 斌1,2 ,刘长友1,3 ,杨敬轩1,3 ,刘锦荣2
(1. 中国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州 221116;2. 大同煤矿集团有限责任公司,山西 大同 037003;3. 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采 国家重点实验室,江苏 徐州 221116)
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煤 炭 学 报
2014 年第 39 卷
图 2 工作面过煤柱时的巷道矿压显现 Fig． 2 Roadway pressure behavior when the
注:厚度列中的数值为最小 ~ 最大。 平均
1． 2 同忻 8105 工作面矿压显现特征 石炭系煤层 8105 工作面与侏罗系煤层 8202 工
作面推进方向相互垂直,8105 工作面切眼位于侏罗 系煤层 8202 工作面边界煤柱下方,工作面阻力相对 较大,由于选用额定阻力为 15 000 kN 的架型,边界 煤柱下工作面并没有异常矿压显现,但随着 8105 工 作面推进至靠近 8202 工作面采空区,顶板突然来压, 来压强度大,矿压显现剧烈。 侏罗系 8202 工作面与 石炭系 8105 工作面层位关系如图 1 所示。
图 1 双系煤层工作面层位关系 Fig． 1 The layer relations of dual coal seams
石炭系 8105 工作面靠近 8202 工作面采空区时, 工作面矿压显现具有以下特点:
(1) 超前压力影响范围增大,巷道底臌和煤壁片 帮严重,巷道顶板及两帮变形量大,锚杆( 索) 断裂 等;
Mechanism of strong pressure reveal under the influence of mining dual system of coal pillar in Datong mining area
YU Bin1,2 ,LIU Chang-you1,3 ,YANG Jing-xuan1,3 ,LIU Jin-rong2
1 煤柱下工作面强矿压显现特征
1． 1 煤层赋存概况 大同矿区侏罗系含煤地层总厚度 74 ~ 264 m,平
均 210 m,可采煤层 21 层,单层最大厚度 7． 81 m。 随 着开采规模日益增大,加之矿区地方小煤矿的开采破 坏,侏罗系煤炭可采储量日趋减少。
石炭系煤层包括上石炭统下部本溪组、上石炭统 上部太原组及下二叠统山西组。 本溪组不含可采煤 层;太原组由陆相及滨海相砂岩、泥岩夹夹煤与高岭 岩组成,厚 36 ~ 95 m,含可采及局部可采煤层 10 层, 煤层总厚在 20 m 以上;山西组由陆相砂岩夹煤及泥 岩组成,厚 45 ~ 60 m,含 1 层可采煤层,厚 0 ~ 3． 8 m。
(2) 工作面 压 力 明 显 增 大, 支 架 增 阻 明 显, 安 全 阀频繁开启, 开启率 34% ~ 67% , 支架立柱 时 有 破 坏;
(3) 工作面采空区顶板垮落块度相对较大,顶板 来压剧烈,顶板大面积垮落时伴有巨响。
8105 工作面过上方边界煤柱回采期间,两端头 巷道内由于单体支柱的支护阻力相对较低,巷道矿压 显现更为强烈。 工作面过边界煤柱时的巷道底臌与 两帮变形如图 2 所示。
第1 期
于 斌等:大同矿区双系煤层开采煤柱影响下的强矿压显现机理
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较为坚硬、采空区空间较大等特点,导致工作面以及 两端头巷道压力大,尤其在过侏罗系已开采煤层采空 区留设煤柱时,石炭系煤层工作面顶板来压情况复杂 并伴有系列的强矿压显现特征。 因此,要弄清大同矿 区双系煤层受侏罗系煤柱影响下的石炭系煤层强矿 压显现机理,除了研究石炭系煤层煤岩赋存的条件和 垮落特征外,还必须综合考虑开采煤层与侏罗系留设 煤柱间的时空影响关系。 目前,对于顶板结构中含煤 柱问题的宏观探讨虽然已进行了一定的研究[1-4] ,并 得到了煤柱影响条件下的顶板稳定条件、破坏机理以 及顶板(冲击) 来压特征等,以及对于建筑物下煤柱 留设和煤柱影响下的巷道稳定性问题进行了广泛探 讨[5-9] ,并得到了煤柱安全留设尺寸的标准以及煤柱 影响下的巷道稳定以及失稳机理等,但对于煤柱影响 条件下矿压显现的机理目前仍没有统一定论,而对于 该问题的分析尚有待于进一步研究。 因此,笔者针对 大同矿区同忻煤矿 8105 工作面过侏罗系煤层 8202 工作面边界煤柱的强矿压显现问题,分析了影响工作 面强矿压显现的主要原因,采用理论分析与现场实测 相结合的方法,探讨工作面过煤柱时的强矿压显现机 理,得到了煤柱影响下工作面顶板受力与运移特征, 为类似条件煤层开采过煤柱时的岩层控制提供依据。
第 39 卷第 1 期 2014 年 1 月
煤 炭 学 报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Vol. 39 No. 1 Jan. 2014
于 斌,刘长友,杨敬轩,等. 大同矿区双系煤层开采煤柱影响下的强矿压显现机理[ J] . 煤炭学报,2014,39(1) :40 -46. doi:10. 13225 / j. cnki. jccs. 2013. 1482 Yu Bin,Liu Changyou,Yang Jingxuan,et al. Mechanism of strong pressure reveal under the influence of mining dual system of coal pillar in Datong mining area[ J] . Journal of China Coal Society,2014,39(1) :40-46. doi:10. 13225 / j. cnki. jccs. 2013. 1482