回采工作面上覆岩层矿压作用特征研究_袁小镇.pdf

回采工作面上覆岩层矿压作用特征研究 袁 小 镇 （西山煤电集团镇城底矿 ，山西 古交 030200 ） 摘要 为深入研究回采工作面上覆岩层矿压作用特征， 本文通过内部岩层移动监测、 工作面支架阻 力监测、 钻孔窥视等手段以山西新景矿煤业综采工作面为工程背景， 对其工作面上覆各岩层进行了实 测研究， 通过监测结果得出了工作面上覆岩层破坏运移规律， 以及各岩层破断时对工作面矿压作用特 征， 为类似情况矿井回采提供了参考。 关键词 上覆岩层 ； 破断规律 ； 矿压作用特征 中图分类号 TD323文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 02- 0044- 03 Study on the breaking rules of hard rock strata and the characteristics of ore pressure action YUAN Xiaozhen （Xishan Coal and ElectricityGroup ZhenchengBottomMine , Gujiao 030200 ， China ） Abstract For further research work on the hard rocks breakingrule and the characteristics ofthe mine pressure in this paper, through the in- ternal strata movement monitoring, the workingface support resistance monitoring, drilling into restored to shanxi coal mine as the engineering background offullymechanized workingface, the overlyingthe experimental research was conducted on the hard rock, through monitoring re- sults on the working plane is obtained by the hard rock breaking migration rule, and the rock breaking when face to the pressure characteris- tics, provides reference for the similar situation ofmine stope. Keywords Overlyingstrata ; Breakinglaw; Characteristics ofore pressure action 0引言 在煤矿回采过程中， 对上覆关键层是坚硬岩层 的处理及研究至关重要[1]。因为其层位可能较多且 破断运移波及范围较广， 工作面矿压会由于不同层 位坚硬岩层的破断而产生不同的变化规律， 破断后 所形成的上覆岩层结构特征也会有所不同， 进而导 致在工作间回采期间由于其处理不当而导致液压 支架压死、 工作面片帮、 巷道底鼓等严重阻碍安全 生产的情况发生[2-3]。为了深入研究工作面上覆岩层 破坏规律及其矿压作用特征， 本文通过内部岩层移 动监测、 工作面支架阻力监测、 钻孔窥视等手段以 山西新景矿煤业综采工作面为工程背景， 对其工作 面上覆各岩层进行实测研究， 并分析上覆岩层破坏 的矿压区别及其作用， 以及对上覆岩层破断运移规 律进行跟踪掌握。 1工程概况 山西新景矿煤业 3213 综采工作面位于 525 水 平，地面标高 977m～1078m，工作面标高 451m～ 522m， 埋藏深度为 450m～490m。 回采工作面长度为 230m， 走向长度约为 1533m， 面积约为 351880m2， 工 作面上覆岩层多为坚硬岩层。 从工作面液压支架支撑阻力多次超载， 导致安 全阀开启的现象来看， 工作面在回采期间出现了多 次的强压显现。 在超前工作面 25m范围内， 回采巷道 顶板最大下沉量达到了 0.4m， 底鼓量达到了 0.7m， 且 伴随着单体液压支柱严重破坏的现象。 由工作面矿压统计可知， 来压较为强烈时候是 在工作面回采初期 180m 范围内， 可以看出， 在超前 工作面 25m 范围内， 单体液压支柱严重损害， 回采 巷道变形严重，工作面液压支架支撑阻力较大， 并 出现安全阀开启现象。随着工作面回采的进行， 在 开采后期， 超前压力影响范围明显减小， 由 25m 变 为 7m，伴随着回采巷道的变形以及单体液压支柱 的损坏都相应减小。由此可以得出， 工作面上覆岩 层破坏后主要对工作面回采前期造成的影响较大， 对回采后期影响较小。 2工作面上覆岩层破坏规律及矿压作用特征 2.1基于钻孔窥视法对岩层破坏规律的研究 在工作面中部布置钻孔，布置钻孔处煤层埋深 为 443m。通过钻孔窥视仪器对工作面上覆岩层的裂 隙发育， 岩层垮落等特征进行实时监测并进行记录。 在工作面距离钻孔 30m 时开始进行观测， 一直 到工作面上覆岩层不在发生破断现象时停止观测。 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 44 ChaoXing 具体观测方案如表 1 所示。在经过长达 3 个月左右 的观测，得到了工作面上覆坚硬岩层垮落曲线图， 如图 1 所示。 表 1观测方案 由图 1 可以看出，随着回采工作面的不断推 进， 上覆岩层破断高度表现为台阶式升高， 图中曲 线每一处的升高， 都代表着岩层的破断以及垮落高 度的进一步发展。第一平段表示为工作面在钻孔前 方， 由工作面回采至钻孔处时， 平段长度为 9.2m， 岩 层垮落高度大约为 30m； 第二平段表示为当回采工 作面回采到钻孔后方 25～40m 时，平段长度为 28.1m， 岩层垮落高度为 110m； 当工作面回采至钻孔 后方 60m 处时， 平段长度为 33.5m， 此时岩层垮落高 度上升到了 185m；当工作面回采至钻孔后方 95m 处时，平段长度为 50.8m，岩层垮落高度已高达 225m。 由此可以看出， 随着回采工作面不断推进， 各 个平段长度随之增加，岩层垮落高度也不断增大， 说明随着工作面上覆关键岩层层位的升高， 岩层的 垮落步距及垮落高度随之增大。 图 1垮落高度曲线 由上述分析结果可知， 在煤层开采后， 上覆岩层 发生垮落， 且随着岩层层位的升高， 垮落步距及垮落 高度不断增大。 但是对于不同层位岩层的断裂垮落对 工作面矿压的作用影响并不能得出明确的对应关系， 所以有必要对其进行进一步的实测分析。 2.2多手段一体化实测的岩层破断矿压作用特征 以山西新景矿煤业 3214 综采工作面为工程背 景， 3214 综采工作面与 3213 综采工作面工程概况 基本相同，沿 3214 综采工作面推进方向上布置四 个钻孔， 编号为 1、 2、 3、 4 具体的监测方案如表 2 所示。 1） 工作面液压支架工作阻力监测。分别在综采 工作面 5～115 液压支架上每隔 5 个支架布置一 个测点， 共布置 12 个测点。 2） 岩层移动监测。工作面矿压显现的主要原因 是上覆关键岩层的破断， 基于此关键层理论及工作 面所处地质条件，在监测岩层移动钻孔内共布置 4 个测点，其中一个测点布置在最上层关键层的上 部， 编号为 4， 另外 3 个测点布置在工作面上覆各 关键层处。其中 1 测点埋深为 453m， 2 测点埋深 为 425m， 3 测 点 埋 深 为 368m， 4 测 点 埋 深 为 333m。从下到上每个关键层的厚度分别为 11.7m、 9.5m、 19.1m， 为使测点与岩层能够同步移动， 利用 爪式结构使测点固定在关键层上， 在利用钢丝绳使 爪式结构与地面传感器连接， 来对岩层的移动进行 记录。 3） 钻孔窥视监测。同对 3213 工作面上覆岩层 破断特征监测手段一样， 采用钻孔窥视仪器， 连续 观测 360m， 时间为 2 个月， 具体方案如表 2 所示。 表 2钻孔观测方案 随着综采工作面的持续推进， 4 个测点随着所 在岩层的下沉而随之下沉， 监测所得下沉数据变化 如图 2 所示， 并得出如下特征。 1） 从图中可以看出， 岩层下沉数据整体呈现台 阶式变化规律， 直到最后平衡稳定。 2） 当工作面回采至钻孔后 8.5m 时， 1 测点下 沉量为 205mm，说明第一关键层发生了破断下沉， 当工作面回采至钻孔后 12.0m 时， 2 测点下沉量为 322mm， 此时说明第二关键层发生了破断下沉， 同时 第一关键层同步又下沉了 60mm，表明第一关键层 受到了第二关键层下沉的影响，出现二次下沉， 当 工作面回采至钻孔后 75.5m 时， 1 与 2 测点数据 不再发生变化， 说明第二关键层及以下岩层已充分 破断并稳定。 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 窥视孔与工作面距离 （m ）观测方法 25～0每 4m 观测一次 0～- 25每 4m 观测一次 - 25～- 80每 12m 观测一次 - 80 以上每 30m 观测一次 钻孔与工作面距离 （m ）观测方法 180～0每 3 天记录一次 180～35每 2 天记录一次 20～0每 1 天记录一次 0～- 35每 1 天记录一次 - 35～- 180每 2 天记录一次 45 ChaoXing （3） 由图可以看出， 3、 4 测点下沉变化趋势基 本一致， 说明第三关键层上面的岩层下沉变化受第 三关键层变化影响明显。当工作面回采至钻孔后 28.0m 时， 3 测点下沉值为 165mm，表明第三关键 层发生初次断裂， 但下沉影响范围较小。当工作面 回 采 至 测 点 后 88.5m 时 ， 3、 4 测 点 下 沉 量 由 280mm 增至 370mm，在工作面回采至钻孔后 150m 处及以后， 各处测点数据不再发生变化， 说明各岩 层下沉变化趋于稳定。 图 2岩层移动变化规律 根据岩层移动检测并结合钻孔窥视， 工作面液 压支架工作阻力监测数据，如图 3 所示，其中图 3 （a ） 为第一二关键层破断时，（b） 为第三关键层破断 时， 分析可知 （a） （b） 图 3关键层破断的支架工作阻力 根据 8.16 日和 8.17 日窥视观测结果，以及 1 测点下沉数据，表明第一关键层发生了破断下沉， 同时， 根据工作面液压支架工作阻力监测数据可以 看出， 支架阻力升高， 且来压持续 5.8 个小时。8.18 日后 2 测点监测数据变大，同时观察钻孔窥视结 果， 表明第二关键层发生了破断下沉， 与此同时， 工 作面液压支架监测的工作阻力明显升高， 本次来压 压力显现较大， 且持续时间较长， 达 14 个小时， 工 作面 49～79 液压支架工作阀开启。9.6 日时， 第三 关键层发生回转下沉， 观察工作面液压支架工作阻 力，相比于第一二关键层断裂产生的工作面来压， 第三关键层的破裂来压时间更长， 压力更大， 来压 时间可达 39 个小时， 且工作面 35～95 支架发生压 死现象。 3结论 1） 由钻孔窥视研究表明 工作面上方关键层在 工作面回采后破断呈台阶式上升， 台阶每个上升阶 段， 都代表关键层的断裂下沉， 台阶的平段长度随 工作面回采长度的增加而增加。 2） 多手段一体化实测研究表明 低层位也就是 距离工作面较近的关键层破断时，工作面来压较 小， 且持续时间较短。而当高层位关键层破断下沉 时， 工作面来压较大， 且持续时间较长。 参考文献 [1] 王陈真. 孤岛综放工作面覆岩结构分析及矿压特征研究 [J].煤矿现代化,2019 （05） 26- 29. [2] 赵文曙. 西铭矿 42206 工作面高位钻孔合理层位选择[J]. 煤,2019,28 （06） 29- 30. [3] 贺化平.采空区上覆岩层 “三带” 划分理论计算与数值模 拟结果对比[J].煤炭技术,2019,38 （06） 51- 54. 作者简介 袁小镇 （1983-） ， 男， 贵州万山人， 2019 年毕业于北京科 技大学采矿工程专业， 主要从事钻机检修工作。 （收稿日期 2019- 5- 25） 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 155 期 46 ChaoXing