确保底板采区下山免受采动破坏的工作面终采线划定

何炳银

(安徽省煤炭科学研究院,安徽省合肥市,230001)

确保底板采区下山免受采动破坏的工作面终采线划定

何炳银

(安徽省煤炭科学研究院,安徽省合肥市,230001)

提出采区底板下山免受采动破坏的工作面终采线位置划定方法,并用该方法确定了某综采面终采线实际位置,使其采区底板下山免受采动破坏。

采区下山 底板巷道 采动破坏 工作面终采线

工作面终采线位置的合理划定,具有提高煤炭资源回收率和避免底板采区上、下山遭受采动影响破坏的双重意义。合理确定工作面终采线的位置,就是要在尽可能延长工作面走向长度、多回收煤炭的同时,避免底板下山遭受严重采动影响和破坏。本文就某矿1541(3)综放面回采对于底板下山的采动影响进行了观测和研究,提出可使下山免受采动严重影响的回采面终采线划定方法,合理划定了1541(3)综放面终采线的具体位置。

1 工作面及采区下山的地质与采矿条件

1541(3)工作面采用综采放顶煤工艺,工作面走向长 1580 m,倾斜长 200 m,平均采深510 m。在工作面终采线附近,工作面走向与采区下山斜交60°左右。工作面煤层结构复杂。煤层顶部以片鳞状煤为主,中部以片块状煤为主,底部以粉末状煤为主。大部分地段煤层底部含1～2层、厚0.05～0.5 m的泥岩或炭质泥岩夹矸。煤层厚2.7～5.5 m,平均 4.5 m。煤层倾角 3～10°,平均 7°。

采区下山位于煤层底板砂质泥岩中,距煤层底板41 m。在这41 m岩层中,主要是砂质泥岩和砂岩。其中,砂质泥岩24.5 m,砂岩12 m。下山掘进断面为直墙半圆形,掘进高度3.55 m,掘进宽度4.70 m,掘进断面积14.31 m2。巷道采用锚喷支护,锚杆规格为ø20mm×2200mm,锚杆间、排距1000mm×500mm,在巷道顶板中部沿巷道纵向每隔2 m打1根锚索,锚索规格为 ø15.24mm×6300mm。巷道表面喷射150mm厚混凝土。

2 根据采动影响观测结果划定工作面终采线的方法

2.1 底板下山采动影响观测

观测研究所涉及的巷道包括:1541(3)综采面下运输巷道、采区轨道下山与工作面相连的轨道斜巷、煤层底板运输大巷。观测项目包括:巷道表面位移、巷道围岩深部位移、巷道支架载荷、巷道围岩采动附加应力。观测自工作面距底板采区下山200 m处开始,直到工作面停采后1年结束,观测站布置见图1。

图1 底板下山采动影响观测布置图

2.2 几点假设与说明

为便于分析工作面采动支承压力或采动影响,假设:

在底板岩层中的传播与分布规律在工作面走向与倾向被看作是相同的;

在底板岩层中的传播与分布规律在工作面推进过程中和停采后被看作是相同的;

在底板岩层中的传播角在所观测和所研究的岩层范围内被看作是不变的;

在底板岩层中的传播与分布的分析和研究以巷道的围岩变形观测结果为主要依据,以巷道压力及其它观测数据为参考依据。

2.3 划定工作面终采线位置的方法与步骤

(1)根据回采煤层巷道的矿压显现对本煤层巷道中的超前支承压力影响区进行划分,并将其划分为若干个区域;

(2)根据煤层底板巷道的围岩变形与围岩应力对底板巷道中的采动应力影响区进行划分,也可将其划分为若干个区域;

(3)将煤层巷道与底板巷道所划分的采动影响的相对应区域相连,求得煤层底板岩层中采动应力或采动影响的传播角;

(4)假设若干个终采线位置,以该终采线上到所需保护巷道的最短直线距离处为圆心,并以该终采线到所需保护的底板巷道的最短水平距离(即煤柱留设宽度)为半径画圆;

(5)在平面图上,作联线连接圆心到所需保护巷道的最短水平距离处(圆周上),并沿着该连线方向作一铅垂剖面;

(6)在底板岩层内划分出采动影响界面线。在铅垂剖面与上述联线所在的水平面的交线上,量取一段等于煤层巷道内受到工作面超前支承压力明显影响的超前距离,在此超前距离处按照工作面回采过程中超前支承压力在底板岩层中的传播角向底板方向划一直线,此直线即是底板岩层内的采动影响界面线。位于该界面线工作面侧的区域属于采动影响区,位于该直线上山侧的区域属于采动影响以外区域;

(7)确定终采线位置。根据所划出的若干个采动影响界面线,当所需保护的巷道位于采动影响界面线以内,则巷道将要受到工作面采动的影响。只有当所需保护的巷道位于采动影响界面线以外,巷道才可免受或少受采动影响。

3 根据观测资料确定终采线位置实例

3.1 煤层巷道内工作面超前支承压力影响区域的划分

根据1541(3)运输巷顶底板相对移近观测,煤层巷道内超前支承压力影响区域划分为5个区域,分别是无影响区、明显影响区、显著影响区、严重影响区、剧烈影响区,各影响区相对应的距工作面煤壁线的距离分别为大于或等于140 m、140～100 m、100～60 m、60～20 m、20～0 m,各影响区域相对应的巷道变形速度分别为小于1mm/d、大或等于1mm/d、大于或等于10mm/d、大于或等于40mm/d、大于或等于100mm/d。

为便于比较,将煤层巷道围岩深部采动变形亦作相应的区域划分。巷道围岩深部采动变形区域划分与上述划分基本相同,分别为无影响区、明显影响区、显著影响区、严重影响区、降压区。各影响区相对应的距工作面煤壁线的距离分别为大于或等于120 m、120～80 m、80～50 m、50～5 m、5～0 m,除降压区以外的各影响区域相对应的围岩内部变形速度分别为小于1mm/d、大或等于1mm/d、5～10mm/d、10～40mm/d。

根据在工作面超前支承压力作用下所增长的巷道顶板压力也可对巷道超前影响区域进行与上述类似的划分,各个影响区相对应的距工作面煤壁线的距离分别为大于或等于 80 m、80～60 m、60～40 m、40～6 m、6～0 m,除降压区以外的各影响区域相对应的顶板锚索载荷增长速度分别为0、小于或等于5 kN/d、5～20 kN/d、大于或等于20 kN/d。

根据3个矿压指标对工作面巷道内超前支承压力影响区的划分结果基本相同,只是巷道变形量更加敏感些,影响的范围更大些。据此,划定工作面回采巷道内的明显影响区为距工作面煤壁线100 m,见表1～表3。

表1 巷道采动变形区域划分表

表2 巷道采动围岩压力增加区域划分表

表3 巷道围岩深部采动变形区域划分表

3.2 底板岩层内采动应力影响传播区域的划分

与工作面回采巷道类似,底板岩层内采动应力的传播和影响区域划分主要根据底板运输大巷顶底板相对移近量观测数据,并参考其它观测资料。根据回采煤层底板巷道内的顶底板相对移近观测,底板运输大巷内超前支承压力影响区域划分为5个区域,分别是无影响区、明显影响区、显著影响区、严重影响区、卸压区,各影响区相对应的距工作面煤壁线的水平距离分别为大于或等于120 m、120～80 m、80～40 m、40～10 m、10～2 m,除卸压区以外的各影响区域相对应的巷道变形速度分别为0、大于或等于0.5mm/d、大于或等于2mm/d、大于或等于5mm/d。

底板运输大巷围岩深部采动变形亦作相应的区域划分。巷道围岩深部采动变形区域亦划分为5个区域,并与巷道表面变形的区域划分相同,各个影响区相对应的距工作面煤壁线的水平距离分别为大于或等于 100 m、100～60 m、60～40 m、40～12 m、12～0 m,各影响区域相对应的围岩内部变形速度分别为 0、大于或等于 0.5mm/d、1～3mm/d、3～10mm/d、0mm/d。

工作面采动支承压力在底板岩层内的传播和分布,使底板岩层巷道围岩内的应力水平提高。根据围岩应力的增长将底板运输大巷受到工作面采动影响的超前影响范围划分为4个区:无影响区、明显影响区、严重影响区和稳定区,各个影响区相对应的距工作面煤壁线的距离分别为大于或等于100 m、100～50 m、50～20 m、20～12 m,各影响区域相对应的围岩应力增长速度分别为0、小于或等于 0.2 MPa/d、0.8 MPa/d、小于或等于0.05 MPa/d。

根据3个矿压指标对采动支承压力在底板岩层内的传播和分布范围划分的结果,与煤层内巷道支承压力超前影响区划分类似,只是巷道变形量更加敏感些,影响的范围更大些。据此,划定煤层回采时底板运输大巷内的采动影响的明显影响区为距工作面煤壁线水平距离80 m,见表1和图2。

3.3 底板岩层内采动应力传播角确定

由于煤层的采出,打破了地层内本来平衡的应力关系,会在采场围岩内产生集中应力。如果将煤层底板岩层看成是半无限均质弹性介质,则煤层中的集中应力会在底板岩层中均匀连续地传播和分布。地层中应力的传播和分布会随传播距离的增加而逐渐减小。因此,与煤层巷道相比,无论在时间上、大小上和范围上,煤层底板巷道内的采动应力的超前传播和超前影响都是不同的。本文所称底板岩层内采动应力影响传播角是指:按照相同的矿压观测参数,在处于同一个铅垂剖面内的煤层巷道、底板岩层巷道中按照相同影响程度分别划定工作面超前支承压力影响范围,这两个影响边界之间的最短连线与水平面之间的夹角被称之为底板岩层内采动应力传播角。

图2 1541(3)运输巷、底板运输大巷工作面超前支承压力影响区划分

根据观测数据的分析比较,1541(3)运输巷中的超前支承压力的明显影响范围为100 m,底板运输大巷中超前支承压力的明显影响范围为80 m,底板运输大巷与13-1煤层埋深之差为25.5 m,因此,1541(3)综放面开采时,其采动支承压力在底板岩层中的传播角:

4 综采面终采线位置的确定

假定3个终采线位置,工作面煤壁线在运输巷处的位置分别为A点、B点和C点。A点、B点和C点距运输巷与1541(3)轨道上山交汇处的距离分别为100 m、90 m和80 m。如果工作面采动影响在倾向上和走向上的影响范围相同,则煤壁线在运输巷距1541(3)轨道上山的距离为100 m、90 m和80 m时,在采区下山上方的运输巷平面内,工作面的超前采动影响将达到采区下山上方的A′、B′、C′点处,见图1。

在图1中,分别沿 AA′、BB′、CC′作剖面,并按煤层底板岩层采动应力传播角划分出工作面采动时工作面超前支承压力在煤壁前方煤层底板岩层中的影响范围,见图3。

在图3中,当终采线距1541(3)运输上山100 m时,采区下山位于工作面底板采动影响范围外13 m。

当终采线距1541(3)运输上山90 m时,采区下山位于工作面底板采动影响范围外2 m。

图3 采区下山受采动影响分析剖面图

当终采线距1541(3)运输上山80 m时,采区下山位于工作面底板采动影响范围以内3 m。

因此,当工作面终采线位于距1541(3)运输巷轨道上山80 m的位置时,采区下山位于工作面底板采动影响范围之内,显然不合适;当工作面终采线位于距1541(3)运输巷轨道上山100 m的位置时,采区下山位于工作面底板采动影响范围之外13 m,这时,虽然采区下山位于工作面底板采动影响范围之外,但与在采区下山基本不受采动影响和破坏的前提下多回收煤炭资源的原则有悖;当工作面终采线位于距1541(3)运输巷轨道上山90 m的位置时,采区下山位于工作面底板采动影响范围之外仅2 m,应该是合适的。因此,根据观测和分析,当1541(3)综放面在距1541(3)工作面轨道上山90 m处停采时,位于回采煤层底板的采区下山将不会或基本不会受到1541(3)综放面超前支承压力的破坏或严重影响。

5 结论与建议

(1)根据对1541(3)综放面回采期间及停采后一段时期内本工作面回采巷道及其底板岩层巷道的矿压观测以及对观测结果的分析,本工作面在其回采中的超前支承压力的明显影响范围为100 m,超前支承压力在煤层底板岩层中的传播角为38°。当1541(3)综放面终采线距采区下山90 m以外,采区下山将不会或很少受到该工作面超前支承压力的破坏和影响。采用该方法确定工作面终采线位置,停采后两年多,所保护的底板下山基本未受到采动影响,巷道维护状况良好。

(2)本次观测和研究结果反映的是该矿某采区首采面回采期间和回采结束后其煤层底板岩层内的工作面超前支承压力的分布和传播规律。而对于该采区的地质条件来说,根据地表移动计算理论,该首采面的回采属于非充分采动。因此,随着采区范围内回采面积的增大,对于充分采动时工作面超前支承压力在其底板岩层内的分布和传播规律,应该会有所不同,主要表现为破坏和影响的范围更大、程度更严重。

(3)工作面终采线位置的研究和确定,是在具体的地质采矿条件下进行的,因此具有其特定性,对于不同地质采矿条件下的工作面和底板岩层巷道,其采动的破坏和影响程度及范围可能不完全相同,但其使底板采区下山免受采动破坏的工作面终采线划定的方法应该是可以借鉴的。

(4)为了使观测和研究的结果更准确、更具有代表性,使工作面终采线位置的确定更加合理,应对同一采区或矿井进行若干次类似的观测和研究。

(责任编辑 张毅玲)

Delimitation of coalmining boundary to avoid the influence ofmining of dip entry in floor

He Bingyin
(Coal Science Research Institute of Anhui province,Hefei,Anhui 230001,China)

Method of delimitation of coal district dip is put forward.Adopting this method,the district dip of the fully mechanized coal face was determined and the influence ofmining of dip entry in floor was avoided.

district dip,dip entry,mining-induced influence,terminal line

TD822.1

B

何炳银(1954-),男,正高级工程师,1982年毕业于淮南矿业学院采矿系。现在安徽省煤炭科学研究院从事矿山压力与巷道支护研究工作。