风氧化三软工作面矿压显现与控制.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 风氧化三软工作面矿压显现与控制1 王绪胜，窦林名，牟宗龙 中国矿业大学能源与安全工程学院，教育部“矿山开采与安全”重点实验室221008 E-mailwxswxs666 摘 要摘 要 以大统矿业有限公司提高开采上限区域风氧化带内开采工作面实测矿压资料和实验 数据为基础，指出，风氧化带内开采三软厚煤层高档普采工作面无基本顶关键层，针对本工 作面矿压显现特点，阐述采用控制采高、加强支架支护质量管理、加强护顶、保证支护系统 的刚度、加强对采煤工作面水的管理、采取支架防倒措施、加强工作面两顺槽超前 10m范围 巷道顶部支护等技术措施，为保证安全回采提供了保障。 关键词关键词高档普采工作面；风氧化三软厚煤层；矿压显现与控制 1. 引言引言 山东省兖州市大统矿业有限公司 9318 西工作面原是 3 层煤风氧化带露头区，位于 3 层 煤区域西南边缘部位，经分析后进行了补充勘探，发现该区为一新的向斜构造，根据原开采 区成功开采经验，确定该区为可开采的煤炭资源。该工作面属于松散含水层下开采。由于开 采上限的提高， 开采区域进入风氧化带内， 煤层顶板岩层受底部水环境和风氧化损伤的共同 影响，裂隙发育，岩体强度衰减速度快，且结构疏松，胶结程度差，自稳性能与承载能力差， 工作面顶板管理难度增大。因此，常常发生工作面局部冒顶导致的突水、溃砂而埋架、埋人 等重特大恶性事故。 2. 工作面采矿技术条件工作面采矿技术条件 9318 西工作面开采 3 层煤，走向长 380m，倾斜宽 105～186m，煤层厚度稳定，在 5.8～ 9.6m 之间，平均 8.05m，条带状结构明显，内生裂隙发育，单轴抗压强度 8.28～8.88MPa。 工作面直接顶为 3 层煤。直接底为黑灰色泥岩，单轴抗压强度为 5.29～9.36MPa，见图 1 所 示。浅部煤层顶板风氧化程度高，基岩面往下 0～10m范围内由于强烈的风氧化作用，使岩 层由原来的灰黑色变为浅黄色、灰黄色粉细砂岩、中砂岩，成分以石英、长石为主，长石风 氧化成为高岭土， 泥质含量显著增加， 裂隙发育， 有的为方解石墨充填， 强度平均为 13.2MPa。 10～16m以棕黄色浅灰色细砂岩为主，强度为 16.9～26.1MPa。范围内弱风氧化，岩石多呈 浅灰或灰白色，裂隙发育，且多为泥质胶结。工作面采用走向长壁布置。9318 西工作面按 山东省煤管局批复意见应留设大于 13.5 米的防砂煤岩柱，采用恒底采煤法，开采高度设计 为 2.2m，采煤方法为高档普采，工作面破煤选用MLS3p-170 型采煤机，支护选用XDY-IT2型 自移式液压悬移支架和ZQ-1/22 型墩柱配合使用，采空区采用全部垮落法管理。煤岩层柱状 如图 2 所示。 1本课题得到国家自然科学基金重大项目（项目编号50490273）资助。 -1- -120m -140m -160m -180m-180m -160m -140m -120m 9318西探巷 切眼切眼 图 1 9318 西工作面进风顺槽实测剖面图 3. 风氧化带内工作面上覆岩层特征风氧化带内工作面上覆岩层特征 岩石力学性能实验资料表明[1-3]，岩石或岩体的风氧化程度越强，强度降低的幅度也就 越大。无基本顶开采工作面岩石的饱和吸水量多在 8以上，最高达 52，水分极易进入岩 石内部，其膨胀率都在 50以上，不仅使岩体本身抗压强度显著降低，且距离直接顶越远， 降低的幅度越大并能产生强大的膨胀力。9318 西工作面直接底为黑灰色泥岩，采煤工作面 由于位于向斜构造中部底，两端高，且工作面为俯采（工作面用水和老塘水长时间浸泡泥岩 底板） ，因此，给工作面的顶板护理和支架的钻底维护带来较大的困难。 由煤层柱状图可知， 开采煤层顶板与上覆岩层全由风氧化软弱和极软弱岩层组成， 不存 在控制上覆岩层运动的关键坚硬岩层（即基本顶） ，这是风氧化带内煤层开采的最典型顶板 变异特征。 岩性柱状 煤岩层 厚度m 0.5-5.80 1.95 10.05 8.94-11.15 4.38-7.48 0-1.2 0.16-1.8 8.05 3.36-5.9 0.98 4.63 0-9.89 4.22 名称 粘土岩 泥岩 粉砂岩 细砂岩 5.93 0.6 细砂岩 泥岩 3煤 中粗砂岩 上部为浅灰色，下部为灰黄色，薄层状，砂 泥交互沉积，成分以石英和长石为主， 长石风化成高岭土，小裂隙发育 ，充填方解石或未充填,平均抗压强度 13.2Mp。 综 合 描 述 1200 黑灰色，含少量砂质，上部含植物根部化石 ，充填黄铁矿。 深灰色，块状构造，发育小裂隙。 灰色，含少量根化石。 黑色，条带状结构明显，内生裂隙发育，棱 角状和阶梯状断口，由暗煤、亮煤、半亮煤 组成，块状构造，属半暗型煤。夹石1-2层 最厚度不超过0.15米，岩性为炭质细砂岩。 浅灰色、棕黄色细砂岩，强度为 16.9-26.1Mpa，范围内弱风化， 多为泥质胶结，裂隙发育。 灰色，薄层状，发育脉状层理，常见垂直 小裂隙，充填黄铁矿颗粒。 浅灰色中砂岩，泥质胶结，粒分选不均，具微波状 水平层理，棕黄色粗砂岩，上部夹炭线及暗色矿物 ，显不清晰层理。砂层中无水或有少量水。 图 2 9318 西工作面综合柱状图 -2- 4. 覆岩移动特征与矿压显现规律覆岩移动特征与矿压显现规律 根据 9318 西工作面矿压与覆岩破坏观测资料的分析整理，进入风氧化带内开采无基本 顶的工作面矿压显现具有如下特征。 1 静压大。主要表现为工作面经常发生单体支柱炸缸断柱现象。直接顶初次垮落与周 期来压步距减小，基本顶岩层影响剧烈程度减小，工作面来压强度相应降低。动压小，动载 系数小，多在 1.2 之内，见表 1。 2 矿压显现较为明显。端面冒顶﹑直接顶板被挤压破坏，给液压支架的前移带来很大 的困难，需要降架前移，到位后升架，反复支撑已破碎离层的顶板；来压前顶板完整，来压 后顶板破碎，支架端面顶板破碎度由平时 9.5增大到 24，煤壁片帮现象较为严重，片帮 深度由原来的 330mm 增大到 950mm，片帮程度达 60～70，采煤机滚筒几乎不用调高， 仅需截割下部煤，上部煤可自动垮落。 3 顶板下沉量明显增大。通过测定，割煤和移架 2 个主要生产工序对顶板下沉量有一 定的影响。 ①当采煤机割煤和移架距测点 6m 以外时，影响不大，而采煤机在过测点 5～10m、移 架在距测点 3～5m 段内影响较大，顶板下沉量和下沉速度急剧增加。 ②采煤机过测点 8～10m， 移架至测点附近时， 顶板下沉量和顶板下沉速度达到最大值， 之后顶板下沉量和顶板下沉速度趋缓。 ③采煤机对测点顶板下沉量的影响是移架的 1/9，移架近测点时顶板下沉量的影响峰值 是平时的 13 倍。 4 工作面泥岩底板有底鼓现象。煤层顶板原生裂隙较为发育，在基本顶来压、工作面 出现淋滴水时底鼓表现得更为明显。 表表 1 大统矿业有限公司矿山压力显现参数对比大统矿业有限公司矿山压力显现参数对比 初次来压期间 周期来压期间 非来压期间 工作 面 步距 /m 动载系 数 支柱平 均阻力 /MP 步距/m 动载系 数 支柱平 均阻力 /MP 支柱平均阻 力/MP 9310 25 1.7 30 12～151.55 27 17 9318 西 15 1.2 27 6～101.15 26 22 注 9318 西为风氧化带内提高开采上限工作面 9310 为基本顶正常非提高开采上限工作面 5 工作面支柱载荷增大。由于顶板岩层强度较低，胶结程度差，自身承载能力较差， 上覆岩层的重量均转移到支架上，因此，支柱的载荷值也相应的增加。液压支架前 2 根立柱 的压力有明显的增加，多数支架出现急增阻，工作面中部支架立柱下腔的压力达到 20～ 30MPa。当老顶断裂后，后柱压力比来压时略小，前柱比来压时要小很多，前柱平均阻力为 22MPa。煤层顶板来压比较明显地表现为①前后立柱压力增加 1 倍；②液压支架增阻速度 -3- 加快；③安全阀开启率增加 30以上。 58.548.538.5 30 20 10 移近量 28.5 0 8.518.5 48.538.558.5 80 40 60 28.5 20 0 8.518.5 移近量/mm 100 距工作面距离/m 距工作面距离/m a 两帮 b 顶底 图 3 巷道围岩移近量曲线图 109876543 平均压力/MPa 4 1 1 2 3 2 距工作面距离/m 图 4 单体支柱平均压力变化曲线图 6 巷道顶、底板移近量及两帮移近量观测结果如图 3 所示，工作面超前支护单体支柱 压力如图 4 所示 ①巷道顶底板相对移近量和移近速度明显大于两帮相对移近量和移近速度，顶底板的 最大移近速度为 34mm/d，这说明巷道垂直方向的压力大于两帮水平方向的压力，巷道的侧 压较小。 ②工作面前方超前支承压力峰值区约为 2～7m，峰值点位置在工作面前方 3.5～5.5m 范围内。 5. 控制顶板的关键技术措施控制顶板的关键技术措施 由于进入风氧化带内工作面煤柱尺寸的减小， 其上段或全部处于风化带内， 岩石或岩体 的力学强度降低，且顶板破碎， “漏顶”现象经常发生，出现顶板控制难度大、工作面推进 缓慢等诸多问题。通过反复实践与检验，最后总结出如下行之有效的技术措施。 1 控制采高。使采动形成的垮落带不波及松散底界面，尽可能使强风氧化泥岩层的 结构和隔水性免遭破坏。 2 加强支架支护质量管理。从顶板的运动机理分析不难看出，无基本顶开采工作面 之所以发生煤壁片帮端面冒顶等现象， 均是由于岩体自身承载能力差和支护系统刚度不够以 及顶板下沉量过大造成的。顶板下沉量过大，使得煤体支撑顶板的极限平衡区向深部前移， 煤壁片帮加剧，端面冒落；另外机道宽度大，支架支护重心靠后在人行道上方，易造成俯采 -4- 工作面支架前低后高、前排支柱阻力大、后排支柱阻力小，致使煤壁片帮、端面冒顶。因此， 支护选用XDY-IT2型自移式液压悬移支架和ZQ-1/22 型切顶墩柱配合使用，悬移支架前头加 打一排贴帮柱（贴帮柱不在支护密度以内）以改善支架支护结构，加强机道支护强度，割煤 机通过后及时恢复贴帮柱。 3 加强护顶。由于破碎软弱顶板有很强的时间效应。因此，工作面割煤后及时打出 前伸梁，利用短柱、型梁对煤壁片帮严重区段进行超前支护，减少空顶面积。采用带压移架 控制顶板下沉，在支架上方铺一层金属网。在地质软弱面较发育地段，用手镐刨出梁窝采用 预先加固的方法进行超前串梁护顶。 4 保证支护系统的刚度。由于风氧化带内煤层开采其上覆岩层全由软弱岩组成，自 身承载能力极差， 且具有下沉量大、 移动速度快和煤层底板泥岩吸水后强度明显下降等特点， 为避免单体支柱被压死，影响推进速度，造成局部冒顶而突水溃砂。因此，留 0.5m 厚的底 煤， 控制由于煤层底板泥岩吸水而导致的强度明显下降； 支柱入底严重区段采用串底梁的方 法。 5 加强对采煤工作面水的管理。 ①对采煤工作面顶板进行超前探放水，减小工作面顶板压力和减少采空区涌水。 ②由于 9318 西工作面两端高中间低，采取工作面中部最低处设一潜水泵进行集中排 水。 6 采取支架防倒措施支架间挂好防倒链，加强支柱阻力监测，强化支架间距管理 防止咬架，超前打出前伸梁抵住煤壁，支柱穿好带柱窝的大鞋防止支柱底脚打滑。 7 加强工作面两顺槽超前 10 米范围巷道顶部支护。 6. 结结 论论 1 风氧化带内开采工作面上覆岩层受风氧化作用的影响，岩体的力学性质和水理性 能发生变化，胶结程度差，岩性变软，强度大幅度降低，煤层上覆无控制顶板运动的关键岩 层，且岩体的自身承载能力较差。 2 风氧化带内开采工作面静压大，动压小，初次来压和周期来压步距小，顶板下沉 量大，端面容易冒落。 3 覆岩移动快，变形大，回缩快和压实、压密快，且无贯通性好的冒落带。 4 控制开采上限区域无基本顶工作面冒顶的关键技术措施为控制采高，加强支架 支护质量管理，加强护顶，保证支护系统的刚度，加强对采煤工作面水的管理，采取支架防 倒措施，加强工作面两顺槽超前 10m 范围巷道顶部支护。现场实践中这些技术措施能够保 证工作面的安全回采。 -5- 参考文献 [1] 杨本水，段文进. 风氧化带内煤层安全开采关键技术的研究[J]. 煤炭学报，2003，28（6） 608612. [2] 安徽理工大学. 百善煤矿风氧化带内煤层安全开采技术试验研究总结报告[R]. 淮南 安徽理工大学， 2002. [3] 杨本水，王丛书，阎昌银. 中等含水层下留设防砂煤柱开采的试验与研究[J]. 煤炭学报，2002，274 342346. Ground Pressure and its Control in Oxidation 3-solft Working Face Xusheng WANG Linming DOU Zonglong MU School of Mining Safety Engineering，China University of Mining Technology，The Key Laboratory of Mining and Safety，Xuzhou, China, 221008 Abstract Based on ground pressure and experiment’s data of in upgrade working field of Datong Mine Ltd. Corporation, it is pointed that oxidation 3-solft tick coal seam working face with advance general coal mining technology has no main roof key strata. Considering the ground pressure character of this working face, this paper has expatiated that with the technology of mining height control, enhancing timber support quality management, consolidating roof support, increasing supporting system rigidity, enhancing water management, prevention of timber collapse, and intensifying roof support of 10m in 2 sublevels ahead working face, the working face safety can be guaranteed. Keywords working face with advance general coal mining technology； oxidation 3-solft tick coal seam；ground pressure and its control 作者简介 作者简介 王绪胜，男，1973 年生，山东大统矿业公司总工程师。现为中国矿业大学硕士 研究生，从事采矿工程方面的研究工作. -6-