松散层下浅埋薄基岩煤层开采的模拟.pdf

3 8 腱西堪炭技术 ．，松散层下浅埋薄基岩煤层开采的模拟 2 ， 1 e／c f f 识 西 安 矿 业 学 院 坐 生 至 一 - 7 z 摘要通过模拟厚松散层 薄基岩衢埋藏煤 层 的开 采过 程 ， 得 出珂板 岩层破 断运 动的主要特征 和基本规律 ， 分析 j水 砂沿顶扳 贯通 裂隙溃入I作 面的可能 和危 害性 。 ’ 。 彝嘶 ， 乃 关 健 词 切 落 台 阶 裂 隙 溃 流 、 ’ ／ ， I ⋯ 前 言 尼自 ㈤ 按 最 不 利 条 件 调 陕 北 神府 煤 田赋 存 的主 要 特 点是 埋 深 浅， 基岩薄 ， 有较厚的散砂覆盖层 。煤 层近水 平赋存 ， 整个 煤 田基本 在厚 松散 层下开采 。 上 覆岩 层的这 种组成特 点 ， 必然 会使 长壁开 采 时工作面矿压显现与其它条件的煤层不同。 特别是开 采 中顶板破 断和 下 沉特征 ， 散砂在 顶板岩 移 时的运移规律 ， 基 岩表面 松散岩类 潜水及风化基岩裂隙潜水携带泥砂溃人工作 面的可能性等方面， 没有 资料。为 了安 全、 经 济、 高效地开采， 在开采之前针对大柳塔矿 1 2 0 3工作 面 ， 也是神府煤 田最上一 层煤 的首 采工 作面 进行 了模拟研 究。开采实践初步表 明， 研究结 果是可靠 的 ， 对现场起到 了指导作 用 。 1 地质概况 及模型设 计 1 ． 1地 质 概 况 整 的模 型地质条 件为 煤 层厚度约 6 m， 裂隙 发 育 ； 位于 煤 层之上 有 1 5 m 厚 的岩 层 ， 岩 层 上 部有 3 m 厚 的风化 层 ， 为 砂质 泥岩和 粉 砂 岩组 成 ； 风化 层之上 为砂 、 砾 石 层 ， 由砾径 为 1 2 5 c m 的砾石和粗砂组成 ； 最上 为风积砂 ， 以细砂为主 ， 松散 、 透水性强 。其详细岩 层参 数如下表所示 岩层主要参数表 岩 层厚度 m 窖重 T 抗压强度 MP a 普托 乐牡 液。将前梁作为分离体如图 2 b ， 考虑 x ， y 方向力学 平衡 ， 并 向 O 点取力矩得 3 个方 程 P ， P Y表示铰 点分力 P 一 R 3 C OS 5 0 PY P1 R5 s i n a 3 0 P 1 l 1 C O S a 1 一Ra c 0 s a I I Y l Ra s i n a 3 l 0 以上 3个方程联 立可得 P 1 一 R5 c o s a 5 I Y I R i n a 3 I x 1 ／ 1 l s i n a 1 P 一 R r OS a PY PI -- R3 s l n a 3 从 以上 推导 过程看 出， 假设前 梁 千斤顶 达到 最大握力 R ， 则 对升柱过程 中前 粱任 一 翘高程度 △， 可计算 出前 梁受力情 况 ． 设计支 架 时可 以此校棱前梁强度 。 维普资讯 第 2 期 钕散屡下浅埋薄基岩煤层开采的模拟 3 9 2 其 它地 质条件 煤层 为一简单单 斜构造 ， 倾角 5 ’ 。主 要 含水层为松散岩类潜水 含水 层及风化 层裂隙 潜水。 水源 为大 气降水 ． 基岩岩层 节理 裂隙比 较发育 。 1 ． 2 模 型设 计 模 拟采 用 5 m 长平 面模 型 ． 线 比 1 5 0 。 模型装好 后 ， 分 三段分 别 以采 高 5 m、 4 m、 3 m 进行开挖 ， 实行对 比实验 ， 以 消除多模型操作 形成的误 差。模型 由 l 。 煤 层模拟至 地表 。煤 层 由煤 粉 、 石膏、 大 自粉 配制 ． 基岩 及其风 化 层 由砂子 、 石膏、 大 自粉按 相 应的配 比制成 。 分层材料 为云母粉 ， 人工制造裂 隙 。 松散岩类 及其潜水直接 用散砂模拟 。在模型上相应层 位布设 了岩 移测点 ， 在煤层底 部辅 设有称 重 传感 器。实验 现象 及数据采用素描 、 记录 、 拍 照、 量测 、 录像等多 种方式进 行采集 。 2 顶板岩层破断运动特征 实验 以采高 5 m 和 4 m 为主 ， 采高 3 m 时 没有 模拟 初采阶段 。下 面以采高 4 m 为主进 行描 述 。 2 ． 1顶 板 岩层 初 次 冒落 工作 面 自开切 眼推进 1 0 m 左右 ， 顶板开 始出现离层 、 弯 曲下沉。推进到约 2 0 m， 发生 初 次冒落 ， 冒高 6 ～ 7 m。岩层破断 由煤 壁开 始 ， 破 断角约 5 5’ 此刻 ， 超前 支承压力峰值 系散为 1 ． 7 2 ， 位于煤壁前方 1 0 m处 。 ’ 采高 5 m 时． 情况基本相同 。 这一阶段采 高变化影响不大 。 2 ． 2 上 覆岩层 初次 大面积 全厚 切落 随着工作面推进 ， 顶板 冒高不断增加 ． 推 进到 3 0 m 时 ， 冒高为 9 m。 推进 到 3 2 ． 5 m 移架 后 ． 顶 板岩层大范 围有移动 ． 上 覆岩层出现裂 隙并不断发育 。 此时 ， 超前支承 压力 峰值 由原 来 的 1 ． 8升至 2 ． 4 ． 峰 值位置 移近到 煤 壁前 方 7 m 左右 ， 预示着大 面积垮落 的到 来。 推 进 到 3 5 m 时 ， 上覆 岩 层 全部切 落 ． 如 图 1所示。切 顶线形 成沿煤壁向后倾角约 图 1异 ∈ 鬲 4 m 项 板 词 淡 皇 厚 研 藩 7 0 ’ 的 贯通 裂 隙后 ． 裂 隙上部 宽约 0 ． 5 m． 下 部 闭合。沿该 裂隙在工作面形 成约 0 ． 4 m 的 台 阶 下沉 ， 在 F 裂 隙前 后 各有 一 条 问 距约 7 m 的较 大裂 隙 F l 和 F 。 F 发育于工作 面前 方 的上部岩层 。F 与垮落带 淘通 。在此 阶段 岩 层分 为 冒垮 落带 和垮 落带 ． 没有弯 曲下沉 带 。 由图可知 ， 最大溃砂在 采空 区中后部的最 大 下沉处 。 采 高 5 m 时 ． 顶 板初 次大 面积 全 厚切落 特 征与 采高 4 m 情况类似 ． 如图 2所示 。由于 饵 2 秉高 顶报初次全厚珊藩 采高加大， 上覆岩层贯通裂隙 F 宽度较大 ， 上部 为 0 ． 6 ， 下部在 工作面 煤壁处 未 闭合 ， 宽度 约 0 ． 2 m． 裂隙倾角 7 2’ 。工作面 台阶下 沉更 明显 ， 下 沉量达 0 ． 8 m， 对支架 造 成较大 的垂直力 ， 并有 明显的水平力 。 岩层破断 回转 加大 ． 裂 隙更发 育 ． 冒落带高 达 1 2 m． 比采高 维普资讯 腱西煤 炭 技术 4 m 时高 2 m 左 右 。 2 ． 3 煤层 上覆岩层 周期性脏 断 、 由于初次切落形成 了超前 F 裂 隙 ， 进 一 步开采 后岩 层沿 F． 裂 隙 发生初 次周期 性破 断 ， 步距 约为 5 m 左右 。 此 后工作面每推进 l 0 ～l 5 m， 上覆岩层 出现一次周期性玻断 。 破断 裂隙沿煤壁以 7 8 ’ 角贯通岩层 ， 伴有整体台 阶下沉。 下沉台阶排列比较整齐． 有肘呈咬合 状。 工作面处台阶下沉量约0 ． 4 m左右。 沿工 作面 的贯通 裂 隙上部较宽 ， 可达 1 ． 0 r a ， 在 中 部为 0 ． 3 m左右 ， 到下部闭合， 可 对流砂起 到过滤作用 。 采高 5 m 时 ， 周 期 破 断距 稍 短 ， 为 l o ～ 1 3 m， 如 图 3所示 由于采 高加大 ． 工 作面 台 阶下沉量增大为o ． 5 m。 贯通裂隙『顷角增加为 8 o ‘ ， 下部未闭合， 为 0 ． 1 ～0 ． 2 m 宽 ， 可成为 危胁工 作面安全 的涌水溃砂通 道 。由于切顶 活动剧烈 ， 对工作面造成 的来压 强度也 增大 采高 3 m 时 ， 同 样 出现沿煤 壁的周 期性 切 落 ， 但玻断距 增大 1 5 2 2 m ， 破断贯通裂 隙倾 角增 加 8 0 “C 。 工作面 台阶下沉量小 ， 裂 隙宽度也较小 ， 下部 闭台。 破断岩体在上部有 比较明显的铰结结构特征， 但这种结构在采 空区容易失稳 ， 失稳时台 阶下沉量大 ， 裂隙 张 开较宽 同时． 给工作蔚造成的动压也比较 大。 图 4为采高 3 m的顶板基岩周期性破断。 图 3 采高 5 m基岩周期 上覆岩县周期性破断期问， 超前点承压力降值比较大 一 般在 0 o左右 ， 位于工作面前方 5 ～7 m处。 囤 4果高 3 m顶 扳 周期性 破断 3 项板岩层移动规律 3 1 顶板 太 面 积初 次 切 落阶 段 采 高 4 r a时地表及地表下 ”m 处岩层下 沉曲线如 图 5所示 。下 沉的最大 点位于工 作 面 后方 2 I ra 处 ， 岩 层下 沉大 于 地表 下 沉 ， 最 大下沉值 分别为 5 m 和 2 m。 地表下沉波及范 围较 广， 由工作 面前 方 l 3 m 开始 ， 直 至工 作 面后方 3 6 m。 岩 层下沉范 围相对较小 ， 由工作 面前方 2 m开始 ， 到工作面后方 3 2 m 止 岩层 屡位越高 ， 移动范 围越大 。 ． 田 5 顶板 韧 次圭厚 切落对 的岩 { 蓦曲} Il 卜 凡 f ￡ 层下沉曲线 2 一j 吐 l 表下沉曲她 L 一距煤壁距离 H一下沉量 采高 5 m 时， 岩移持征与采高 4 m相似， 但岩 层最大下 沉值 为 8 r n ， 地表下 沉最大值为 4 m， 远大于采高 4 m 的岩移值 。 3 ． 2岩层 周 期性 破 断 阶疑 在岩层周 期性破 断 阶段 ， 主要 针对 基岩 下沉移动进 行研 究 。 图 6为地 表 以下 1 3 m 处 岩层及地表下 1 7 m处岩层典型岩移曲线。由 匹 丑 h 维普资讯 第 2 期 松散屡下浅埋 薄基岩堞展开采的模拟 4 l 图 可 知 1 低层位 岩层在 采 空区下 沉速度 高于 高层位 岩层 ， 体现 了支 护 对岩层 下沉运 动 的 巨大 影 响 。 2 采高越 大 ． 总体 下沉量 也越 大 ， 台 阶 下沉现象更 明显 。 4 3 2 1 芎 厶 5 - - 4 o 一5 1 5 一Z 0 3 采高越小 ． 冒落 带高 度越 小 ， 整体 下 沉现象越 明显 ， 岩层整体性增 强 ． 在煤 壁前 方 的下沉相 对较 大 。 4 支 护结构 的影 响 波及上覆 的 全部 岩 层段 ， 采高越大 ， 这种影 响越 明显 。 日 ⋯ 4 3 ／ 2 1 ． H t 1 2 ． l 3 2 1 5．．J 0 5 10 1 5 2 0 圉 6 典型基 岩下 沉 曲线 1 一凡 f E 层下沉曲线 I 2 --1 3 m层位基岩下沉曲线 a 一采高 3 r n { b 一 采高 4 mI c 一 采高 5 m 4 水砂 溃流的分 析及支架的控制作用 4 ． 1 由工 作 面开切 眼到顶板 初次 大面积切 落前 ， 工作 面和采 空区 不会有大 量 的溃 砂涌 水现象， 但可能有少量的裂隙水渗入。 4 ． 2 顶板初 次大 面积 切落 ， 是顶 板岩层运动 最剧烈 ， 台阶下沉量最 大 ． 贯通裂 隙发育最多 最 充分 、 岩移波及 范围最 广的时期。 地表下 沉 区内 的潜 水在此 刻几 乎一泻 而下 ． 下沉 区 以 外 的潜水也 会向下沉区渗流 。这是工作面开 采最 危险 的时期 ． 最 大涌水 溃砂处 于工作 面 后 方 2 1 m 的 采空 区 内 。 采高 5 m 时， 由于沿 工作 面的 F2 裂隙呈 张开型， 可 成为水砂涌入工作面白 {j 通道， 工 作 面有被埋 没的危 险 。 而 采高 4 m 时 ， 工作面 贯通 裂隙 F。 在 基岩 下部 基本 闭合， 工作面主 要受到 裂隙淋水 的直接影 响 。在支架阻力足 够 的条件下 ． 顶板 只沿架后切落 ， 工 作面直接 受溃砂危害 的可能性很小 。 4 ． 3 工作面进 入顶 板周 期性 破断 阶段 ， 一般 情况下工作面涌水溃砂量要 比初次 基岩切落 时期小得多 但 是 ， 由于基岩表面不平整而造 成 的凹地潜水仍可能对开采造成严重威胁 。 采高 3 m、 4 m、 5 m 都能 沿工 作 面煤壁 形 成贯通裂隙 ， 采 高 3 m 和 4 m 的周 下转封三 维普资讯