采场顶板岩层运动及稳定性的观测研究.pdf

文章编号1003 - 5923200402 - 0004 - 03 采场顶板岩层运动及稳定性的观测研究 李洪,马全礼,朱学军 山东科技大学 工程学院,山东 泰安271021 收稿日期2003 - 09 - 19 作者简介李洪1965 - ,四川安岳人,现从事矿山压力与岩层控制方面的教学科研工作。 摘 要确定直接顶和老顶岩层的运动范围及稳定性对准确的顶板控制设计十分重要,本文介绍了崖头 煤矿用简单的观测方法和观测工具通过常规矿压观测分析确定顶板岩层的组成、 厚度和稳定性,具有一定的 实用性。 关键词矿压观测;岩层运动;稳定性评价 中图分类号TD323 文献标识码A 在整个采场上覆岩层中,对采场矿压显现有明 显影响的只是少部分顶板岩层,这部分岩层通常称 之为 “需控岩层” 。 “需控岩层” 主要是由直接顶和 老顶组成的,它的岩石组成、 活动范围及稳定性决 定着采场的顶板控制,对直接顶和老顶岩层准确的 定量确定以及对直接顶稳定程度的定量评价是进 行顶板控制设计的关键参数。通常通过观测数据 分析计算所得的结论是较可靠的,本文利用最普通 的矿压观测方法和观测工具,通过简单的分析计算 得到顶板岩层的范围及稳定性。 1 地质及生产技术条件 1. 1 地质条件 图1 煤层综合柱状图 崖头煤矿404面位于二水平西采区东翼,西起 轨道上山,东至F5断层,背靠401采空区,南邻 405面,其上部为203采空区。倾斜长70～90 m , 采深450 m左右。 本工作面煤层赋存较稳定,厚2. 2～2. 5 m ,倾 角28 左右,煤质中硬,中夹有0. 2～0. 3 m夹矸。 石门及钻孔揭露的顶板岩层岩性及赋存情况 如图1。 1. 2 生产技术条件 工作面采用爆破落煤,平均采高2. 5 m ,循环 进尺1 m。采用DZ2600型单体液压柱配合HDJA - 1000型金属铰接顶梁支护顶板,采用3～4排控 顶,见四回一,排距1 m ,控顶距3. 3～4. 3 m ,柱距 0. 6 m ,两排密集。采空侧用一梁二柱抬棚作为特 种支架。 2 矿压观测内容 2. 1 矿压观测目的 摸清上覆岩层运动及矿压显现规律,了解 “需 控岩层” 范围,为顶板控制奠定基础。 2. 2 观测内容及观测仪器 主要观测采场顶板下沉量、 支柱载荷、 支柱的 活柱缩量及支柱钻底量,对工作面宏观矿压显现进 行描述;对巷道中支架损坏及顶板裂隙等进行统 计。 利用增阻式压力计测支柱载荷,测杆测采场顶 板下沉量,2 m钢卷尺测支柱活柱缩量及采场宏观 显现等。 4 2004.№2 矿山压力与顶板管理 3 直接顶的组成与稳定性 3. 1 直接顶的组成 直接顶指在采空区已垮落,控顶区内暂由支架 支撑的那部分岩层,其组成是顶板控制设计的基 础。 3. 1. 1 理论计算值 利用冒高公式确定 mz h -SA kA 式中 h 采高,为2. 5 m; SA 岩梁触矸处岩梁无阻碍最终沉降值; kA 岩梁触矸处冒落岩层碎胀系数。 各参数确定如下 1岩梁触矸处岩层无阻碍最终沉降值 由初次来压参数计算 SA 1 2 C0 Δ h Lk 0.869 m 式中 C0 初次来压步距,实测22 m; Δh 来压完成时,采场顶板下沉量,实测 340 mm; Lk 最大控顶距4. 3 m。 2由周期来压参数计算 SA C Δ hA Lk 0.656 m 式中 C 周期来压步距,实测10 m; ΔhA 来压完成时,采场顶板下沉量,实测 282 mm。 3岩量触矸处冒落岩层碎胀系数 由柱状图知,直接顶为强度较低的粉砂岩顶岩 层组成,冒落块度较小,则kA 1.25～1.3,取kA 1.3。则SA 0. 869 m ,求得mz 5. 44 m。 SA 0. 656 m ,求得mz 6. 15 m。 3. 1. 2 经验估算 mz 2.2h 5. 5 m 综合以上推算mz 5～6. 2 m 3. 1. 3 柱状图分析确定 柱状图中,顶板岩层由下而上分别为第一层 0. 3 m厚的灰色粉砂岩;第二层1. 4 m层理清晰、 裂隙发育的灰白色粉砂岩;第三层为层理清晰、 由 0.2～0. 35 m互层组成的4. 17 m细砂岩;第四层 为强度较高、 整体性好的5. 33 m粉砂岩。第四层 以下总厚度为6. 4 m。此值与以上计算大致相符。 故确定直接顶由一、 二、 三岩层组成,其厚度为 6. 4 m。 3. 2 直接顶的稳定性 从顶板控制的原则要求和具体方法出发,考虑 顶板管理方法与效果,对直接顶的分类主要依据超 前支撑压力作用后的破碎情况及出现局部冒顶事 故的可能性。 根据直接顶的分类标准表1 ,分别对其指标 进行确定。 表1 直接顶分类指标表 指标不稳定顶板中等稳定顶板稳定顶板 主要指标D≤3031～70 70 参考指标L0Z/ m≤89～18 18 3. 2. 1 岩性指标D D C1C2[σ]压 式中 C1 节理裂隙影响系数; C2 直接顶岩层分层厚度影响系数; [σ]压 直接顶单向抗压强度,350 kN/ cm2。 1节理裂隙影响系数 统计两巷内,工作面前30 m以外,仅走向裂隙 发育,间距500～700 mm ,30 m以内,由于受采动 影响,产生了大量次生裂隙,实测裂隙间距分布见 表2 ,平均间距414 mm ,多呈网状分布且裂隙拉 开。查部颁表得C1 0. 65。 表2 顶板裂隙间距统计表 顺序12345678910平均 裂隙间距/ cm2839652836586044263041. 4 2岩层分层厚度影响系数 直接顶分别由0. 3 m、1. 4 m粉砂岩及4. 7 m 细砂岩组成。此部分岩层层理清晰、 分层厚度小且 均匀,大都小于350 mm ,互层间夹有薄泥岩层。 实测其分层厚见表3 ,平均分层厚27. 23 cm ,则查 部颁表得C2 0. 265。 表3 直接顶分层厚度统计表 顺序12345678910 11 12 13平均 分层厚/ cm 27 23 35 27 14 19 34 36 18 33 30 27 31 27. 23 则D 60. 28 3. 2. 2 直接顶初次垮落步距 工作面内,总体上顶板较完整,直接顶初垮步 距为15 m。 综上所述直接顶中等稳定岩层。 4 老顶岩梁的组成 老顶指其运动对采场矿压显现由明显影响的 几个岩梁,为搞好采场矿压控制必须搞清其组成与 运动显现。 5矿山压力与顶板管理 2004.№2 4. 1 老顶个数 对支柱载荷、 顶板下沉量随推进步距变化的关 系P-L和S-L曲线综合分析及宏观矿压显现 可知,本工作面老顶来压不明显,来压时对工作面 没有冲击性,呈缓慢运动状态。但曲线仍能反映出 老顶运动具有一定的周期性,并且在运动时出现两 个峰值,推断老顶由两个岩梁组成。 4. 2 老顶岩层厚度 对照柱状图进行分析位于直接顶之上的第四 岩层为m4 5. 33 m粉砂岩,强度较高;第五岩层 为m5 2. 42 m粉砂岩,中间夹20～40 mm的白 色细砂岩,强度较低;第六岩层为m6 5. 10 m的 细粉砂岩,整体性好,强度高;第七岩层为强度低、 厚度小的软岩和粉砂岩组成,且作为2层煤的底 板,受2层煤采动影响会得到一定破坏,强度下降。 综合以上分析,m4、m5两岩层将同时运动而 形成第一岩梁,而m6岩层厚度与m4几乎相等, 且m6强度高、 整体性好,将滞后m4、m5运动,且 与m7以上软弱岩层形成一个整体,组成第二岩 梁。各岩梁的厚度分别为 第一岩梁mE1m4m5 7. 75 m 第二岩梁mE2m6m7⋯m11 10. 99 m 总厚度为18. 74 m。 5 结论 1观测方案简单可行,成本及技术含量较 低,观测数据的获取容易而且可靠,适合现场组织 具体实施。 2数据分析处理简单而全面。在观测数据 的基础上,结合柱状图运用一些简单公式即可得到 满意的结果。 参考文献 [1] 宋振骐.实用矿山压力控制[ M].徐州中国矿业大学出版 社,1988. [2] 宋扬.单体支柱工作面矿压观测与研究方法[ R].泰安山东 矿院矿压研究所,1986. [3] 张俊杰.高档普采工作面的破碎顶板管理[J ].煤炭技术, 2002 ,215 26 - 27. 上接第3页 由图可知,在冒落带内岩体处于低拉压应力 区;裂隙带岩层处于塑性破坏状态,裂隙发育,但基 本保持原有的连续性;裂缝带上方直至基岩面,岩 土层基本未遭破坏,双向压应力分布区;在采空区 边缘,岩体处于拉压应力区,裂缝得到充分发育,导 水裂缝带在此发展最高。 导高和裂采比如表2。由此可知,C13 - 1煤层 采面开采时,在走向方向,开切眼和停采线两侧采 动裂隙发育最高,开采3. 4 m时最大裂高70～74/ 72 m ,是采厚的21倍;开采3. 0 m时裂高58～62/ 60 m ,是20倍;开采2. 6 m时裂高40～44/ 42m , 是16倍;在倾斜剖面上,裂高的发育在上方较小、 深部相对较大的特点。方案一最大裂高68～72/ 70 m ,是采厚的20. 6倍;方案二裂高56～60/ 58 m ,是19. 3倍;方案三裂高38～42/ 40 m ,是15. 4倍。 表2 模拟计算结果 模 型开采方案裂高位置/ m导高/ m 走向模型 采厚3. 4 m- 316～- 32070～74/ 72 采厚3. 0 m- 328～- 33258～62/ 60 采厚3. 0 m- 330～- 33456～60/ 58 倾向模型 采厚3. 4 m- 318～- 32268～72/ 70 采厚2. 6 m- 346～- 35040～44/ 42 采厚2. 6 m- 348～- 35238～42/ 40 3 结论 1 C 13 - 1煤层煤采后裂高发育比较充分,采厚 3. 4 m时裂采比为21 ,开采3. 0 m时裂采比20 ,开 采2. 6 m时裂采比为16倍,裂采比属于偏大类型。 2走向方向上,在工作面前、 后方煤壁约5～ 10 m开始向顶板发育,裂高发育方向近似垂直向 上,在工作面前、 后煤壁附近裂高发育达到最高,在 采区的走向中央稍低;在倾斜剖面,裂高的发育形 态上巷高、 下巷低的鞍部形态,最大导高位置在上 巷略为偏向下山方向的剖面上,浅部导高发育范围 广,高度相对较小,深部导高发育范围较小,高度发 育较充分。 3根据模拟结果,C13 - 1煤层在不同开厚条件 下,采取适当安全防护措施,将防水煤柱再缩小 20 m甚至40 m是可行的。 参考文献 [1] 张文艺,汪文革,彭卫东,等.潘谢矿区缩小防水煤柱开采实 践[J ].煤炭学报,2002 ,2 128～133. [2] 安徽理工大学.提高开采上限可行性研究报告[ R].淮南安 徽理工大学,2003. 6 2004.№2 矿山压力与顶板管理