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两硬条件下综放开采矿压显现规律研究 卢国梁,闫志义,胡守平 大同矿务局忻州窑矿,山西 大同 037021 【摘 要】 从现场测试、数值计算两个方面,研究了两硬条件下矿压显现和 顶煤、顶板活动的一般规律。研究结果显示两硬条件下综放开采的矿压显现具有 明显的周期性,支架荷载频率分布一般为双正态迭加型,支架的初撑力与工作阻力 成线性关系。顶板预处理可以明显改善矿压的冲击性。 【关键词】 坚硬厚煤层;综放开采;矿压 中图分类号 TD323 文献标识码 B 文章编号 1006 - 6225 1999 03 - 0032 - 04 大同矿务局所采的侏罗纪煤层,顶板完整 坚硬难于冒落,煤体完整坚硬难于破碎,是典 型的“两硬”煤层。大同矿务局联合中国矿业 大学北京校区、太原理工大学、煤科院太原分 院组成攻关研究组,对两硬条件下厚煤层综放 开采,从顶煤、顶板活动规律、提高回收率技 术和关键设备3个方面进行系统的研究,使大 同矿务局忻州窑矿8911低位放顶煤试验工作 面达到了年产100万t ,回收率80 的水平, 成功实现了两硬条件下放顶煤开采。 1 现场概况 大同矿务局忻州窑矿从1996年开始在 8916、8914和8911三个工作面实施综放开采, 对矿压显现,顶煤、顶板活动情况进行了系统 的观测。3个综放工作面均位于忻州窑矿的西 二盘区,其中8916和8914两工作面相邻,位 于西二盘区309盘区上山的南翼, 8911工作面 位于309盘区的北翼901集中巷的东侧。8916 工作面处于两侧采空, 8914工作面处于三侧 采空,而8911工作面是西二盘区北翼的首采 面,处于实体煤中,具体条件如表1。 3个工作面地质条件基本相同,均有NE 和NW两组裂隙,其中N300W的一组为较发 育的主要裂隙, 8911工作面与NW主裂隙呈大 角度斜交,而8916和8914工作面与NW主裂 表1 试验工作面的基本条件 工作面 编 号 采深/ m煤厚/ m倾角/ 工作面 长度/ m 推进长 度/ m 四周回采 状 况 巷首布置支架形式 891630081291～6135820二侧采空四巷式改装型低位支架 89142957191～7136560三侧采空四巷式改装型低位支架 89113307151～7150522实体煤四巷式ZFS支架 图1 8911工作面巷道布置 隙呈小角度斜交。8911面具体布置见图1。 8916和8914工作面的装备相同,均采用 ZFSg6000型改装低位放顶煤支架,工作面前部 输送机为SGZB764/ 400型,后部输送机改用 SGZ764/ 630G型。两工作面设备的主要差异 为后者支架的支撑高度和顶梁长度加大,后 梁的过煤高度和放煤口尺寸加大,更加有利于 23 1999年第3期总第36期煤 矿 开 采1999年9月 顶煤的放落。 2 现场测试结果分析 211 煤体强度测试 在8914工作面中间1巷测试结果煤体 的平均单轴抗压强度为37143MPa ,单轴抗拉 强度为112476MPa。现场点载荷试验表明忻州 窑矿11与12号合并层煤体具有很好的连续 性,强度相关距离达210m ,煤体强度均匀, 局部强度可反映整个煤层强度特点;煤体的强 度高,波动范围较小,属典型的坚硬煤层。 212 支架荷载观测 对3个工作面支架载荷连续观测,其结果 见表2。通过3个综放面的矿压观测,两硬条 件下综放开采的矿压显现有以下基本规律 表2 综放面矿压显现特征 工作面 编 号 周期来压 步距/ m 动载系 数k 支架荷载 频率分布 P0与P 的关系 来压时最大平均 支架荷载/ kN 架 - 1 支架最大冲击 荷载/ kN 架 - 1 前柱与后柱 阻力之比 支架运行特征 增阻/ 降阻/ 891635171128 双正态迭加 带冲击点 幂函数3658125624019480113 891615151152 正态分布 带冲击点 线性337616547201917424 891424151137 反双正态迭 加带冲击点 线性46745885114184131111 891120161132 双正态 迭 加 线性391418111150151611 1有明显的周期来压显现,动载系数 113～115 ,来压步距与顶板预处理效果有关。 2支架荷载频率分布一般为双正态迭 加型,如图2。仍保留有坚硬顶板带冲击点的 特征,当预处理效果较好时,可消除冲击荷 载,是典型的 Ⅱ 级顶板矿压显现特征。 图2 支架荷载的频率分布 3支架初撑力与工作阻力成线性关系, 有别于普通综采的对数关系,也有别于坚硬顶 板下的幂函数关系,这一特征为确定支架的初 撑力提供了科学依据。 4支架荷载较普通综采低,最大冲击荷 载接近额定工作阻力。未处理顶板时,前柱阻 力小于后柱,具有坚硬顶板特征;顶板处理 后,一般前柱阻力大于后柱阻力10 ～15 。 5支架运行特性以增阻型为主,占 75 以上,降阻型仅占10 左右。当顶板、 顶煤处理效果好时,增阻型降为50 ,而降 阻型超过30 ,表明顶煤冒放性改善。 213 支承压力分布 通过测定工作面前方顺槽煤壁裂隙的分形 值和支承压力大小,进行反演支承压力的分布 及其显现规律。测定结果如图3 ,图4。 图中实测数据表明采场支承压力与煤壁 裂隙分布的分维值沿工作面推进方向变化趋势 具有同步一致性,并且同时取得极大值,支承 图3 工作面支承压力分布 33 1999年第3期总第36期煤 矿 开 采1999年9月 图4 煤壁裂隙分布分维值 压力的峰值位置也就是煤壁裂隙分维值最大位 置。支承压力峰值位置前方是顶煤的弹性变形 区,这个区域内的顶煤裂隙随着支承压力的不 断增加主要处于萌生、扩展状态,裂隙分布越 来越复杂,因此裂隙分布的分维值也随之增 加。但从支承压力峰值位置到煤壁,顶煤处于 塑性变形阶段,在支承压力的作用下顶煤裂隙 开始逐渐贯通而形成宏观裂纹,裂隙方向也逐 渐趋于单一化,因而裂隙的分形维数逐渐减 小。基于这一特性,我们就可以通过测定巷道 裂隙分布的分维值来预测支承压力的分布状 态。 3 数值计算 顶煤和顶板在变形破裂过程中是一种介于 连续介质和松散介质之间的拟连续介质。因 此,单纯利用力学解析方法求解顶煤变形破裂 过程难度较大。本文利用FLAC3D有限差分软 件对8911面综放开采过程采场的三维应力分 布和顶煤的破裂规律进行了岩石力学数学分 析,试图得到顶煤从开切眼开始直至末采整个 过程在采动影响下,沿走向和倾向方向上顶煤 的破坏区域和破坏程度分布,顶煤与顶板相互 作用形成的支承压力的分布范围和形态。以期 为提高顶煤的回收率提供必要的理论依据。 为了消除边界效应,三维计算模型的长、 宽、高设置为300m、300m和150m。由于计算 模型主要考察顶煤和顶板的变形和破坏及计算 模型的单元所限,对计算模型单元采用不等划 分。计算模型共划分有60500个立方体单元, 模型侧面限制水平移动,底面限制垂直移动, 模型的上部施加上覆岩层的自重应力。支架采 用弹性锚杆单元模拟,刚度为30MN/ m。 据现场观测和实验验证,开采过程中周期 来压并不明显,其主要原因在于顶煤作为塑性 垫层吸收了大部分老顶传来的动载能和静载 能,因此本模型只对顶煤破裂特性、范围及应 力应变分布进行分析,略去周期来压对顶煤和 直接顶破裂的影响。随着工作面的不断向前推 进,直接顶和顶煤逐渐垮落,垮落单元的强度 符合虎克 布朗Hoek - Brown强度准则, 即单元破裂后承载能力降低许多。 计算的第一步,首先在模型中形成切眼和 顺槽,就是在相应空间把实单元变为空单元。 单支柱支架用弹性的锚杆单元代表。由于工作 面的不断推进,采空区和垮落区始终处于运动 和变化之中,致使计算过程中需要不断变换垮 落区材料单元的力学参数和垮落区域。采空区 垮落的矸石用一种弹模和强度较小的弹性材料 单元替代。图5为工作面正常推进时各个剖面 图5 工作面正常推进时模型计算结果 43 1999年第3期总第36期煤 矿 开 采1999年9月 的应力、位移和单元破坏情况图。从主应力的 等值图分析可知顶煤中支承压力分布具有明 显的分区特征,即支承压力的峰值不是位于煤 壁,而是在煤壁前方大约5～7m处图5a , 也就是在顶煤始动点附近。这是由于在煤壁附 近的顶煤受到峰值支承压力作用后,内部裂隙 扩展、贯通,承受不了高应力所至。在顶煤始 动点附近由于顶煤裂隙尚未扩展,因此具有较 高的强度和承载能力,应力也明显集中,达到 支承压力的峰值。随着距煤壁距离的增加,应 力逐渐减小至原始岩应力。顶煤中支承压力的 峰值位置随着采深、煤岩性质的变化而变化, 从图中可看出支承压力作用范围较大。 从位移矢量图可得到放顶煤开采具有以下 规律和特点当老顶初次垮落以后,煤壁前方 5～7m处节点水平位移方向发生改变, 5～7m 以内水平位移指向煤壁,而5～7m以外的节 点水平位移背离煤壁,说明顶煤运移在6m左 右位置。顶煤的水平位移最大值发生在顶煤的 中部附近,并沿工作面推进方向逐渐减小至位 移始动点;而垂直位移随顶煤高度的增加而增 加。 从顶煤及围岩破坏情况来看,放顶煤开采 顶煤、顶板破坏具有以下规律在工作面推进 过程中顶煤的破坏区域都不大,只限于工作面 上方顶煤的2～3m ,这从侧面说明了大同忻州 窑矿的煤岩强度较高,单纯在支承压力作用下 不易压裂破碎,因此如果不对顶煤加以弱化处 理如进行煤层注水、预爆破等 , 上位顶煤 很难破碎而被放落下来。 把图5a的数值计算数据和现场数据进行 比较见表3 ,可以看出两者比较相近除 煤壁最近一个测点外 , 特别是支承压力峰值 位置都接近于煤壁前6m处。 表3 数值计算结果与现场实测数据比较 距煤壁距离/ m 1357915233544 数值计算结果/ MPa91412131516141512141117915817812 现场实测结果/ MPa517131516141514131312151013819816 4 结论 通过对忻州窑矿3个综放工作面的现场观 测、试验研究和数值计算,初步得到坚硬厚煤 层综放开采矿压显现的一般规律。即开采过程 中具有明显的周期来压;巷道表面裂隙的分维 值与支承压力分布具有同步一致性,数值计算 的支承压力分布和实际测量基本一致。 【参考文献】 〔1〕煤炭部“九五”重点科技攻关项目坚硬厚煤层综放开 采关键技术研究鉴定材料 〔R〕11998 〔2〕陈炎光,陆士良主编.中国煤矿巷道围岩控制 〔M〕1 徐 州中国矿业大学出版社, 1994 〔3〕钱鸣高,刘听成主编.矿山压力及其控制 〔M〕1 北京 煤炭工业出版社, 1991 〔4〕宋振骐主编.实用矿山压力控制 〔M〕1 徐州中国矿业 大学出版社, 1988 〔5〕谢和平,陈忠辉,王家臣等.综放开采顶煤变形破坏的 三维数值模拟,第六届全国岩土力学数值分析与解析方 法研讨会 〔C〕.广州, 1998 〔6〕谢和平,陈忠辉,王家臣.放顶煤开采巷道裂隙的分形 研究 〔J〕1 煤炭学报, 1998 3 作者简介卢国梁, 1959年1月生,籍贯山西忻州,大 学文化,工程师。现任忻州窑矿矿长。 收稿日期 1999 - 0705 - 05;责任编辑邹正立 53 1999年第3期总第36期煤 矿 开 采1999年9月