急倾斜薄煤层开采矿压显现规律研究

孙晓冬,贾光胜,毛德兵

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;3.山西天地王坡煤业有限公司,山西晋城 048021)

急倾斜薄煤层开采矿压显现规律研究

孙晓冬1,2,贾光胜3,毛德兵1,2

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;3.山西天地王坡煤业有限公司,山西晋城 048021)

通过数值模拟和现场实测对急倾斜薄煤层开采的矿压显现进行了研究,结果表明：急倾斜薄煤层开采过程中,工作面不同位置的矿压显现不同,正常推进期间,工作面中上部矿压显现较为强烈,下部矿压显现缓和。

急倾斜薄煤层;矿压显现;数值模拟 ;现场实测

急倾斜薄煤层机械化开采在国内是一个难题,在世界范围也没有十分成功有效的采煤方法,虽然国内外试验过很多种方法,但大多没能推广。整体来看,急倾斜薄煤层的开采技术水平、理论研究水平和装备水平要远低于其他条件的煤层。

2008年,七台河矿业精煤 (集团)有限责任公司 (以下简称 “七煤公司”)与天地科技股份有限公司签订了协议,合作进行 “急倾斜薄煤层自移气垛支架开采工艺及装备研发”。同年,天地科技股份有限公司成立了以开采设计事业部采矿技术研究所牵头并负责的自移气垛支架研制设计组,研制组在借鉴国内外已有的急倾斜薄煤层机械化开采经验的基础上,提出了初步设计方案,并对走向长壁开采的采煤工艺进行了研究编制。

目前,新研发的 ZQZ1060/06/11型急倾斜薄煤层自移气垛支架已在七煤公司向阳煤矿顺利进行工业性试验。试验结果表明,该支架重量轻,适用煤层倾角最大可达 80°,适应煤层厚度为 0.6～1.1m,具有安全的行人通道,安全和经济效益明显。试验期间,在工作面上、中、下部布置了 3条测线,每条测线布置 4台支架压力记录仪,对工作面的矿压显现进行了实测。

1 工作面条件

工作面位于向阳煤矿 63号煤层左七片、左八片之间,标高范围在 -92～-140m之间,地面标高 222m,工作面平均埋深 338m,走向长 520m。

工作面 63号煤厚 0.65～1.0m,平均 0.75m,煤层倾角 53～57°,平均 55°,煤层坚固性系数 2～3,煤层节理比较发育,密度为 1.35t/m3。煤层直接顶为 1.2m的坚硬粉砂岩,基本顶为 6.3m粉砂岩,底板为坚硬粉砂岩。煤层无发火记录,为低瓦斯煤层。

工作面采用走向长壁开采,正倾斜布置,倾角平均 55°,工作面阶段高度 48m,工作面长 60m,循环进尺 1.0m,炮采,共安装 43副气垛支架。

2 数值模拟

以向阳煤矿 63号煤层为背景,采用 FLAC3D和3DEC数值模拟软件对急倾斜煤层开采采场应力分布规律和覆岩破坏规律进行了模拟分析。

2.1 采场应力分布规律

FLAC3D数值模拟方法作为一种高效快捷的岩土力学研究手段,能很好地再现煤层开采时采场应力状态。利用该软件研究向阳煤矿 63号急倾斜煤层开采过程中采场应力变化规律,分析了急倾斜煤层特殊的应力分布规律。

图1为建立的模型,图 2为模型运算平衡后的应力分布,模拟结果如图 3。

图1 建立的模型

图2 模型平衡后应力分布

模拟结果发现,在工作面推进初期,顶底板中形成的卸压带沿工作面布置方向形态基本保持对称,工作面上下部顶板破坏卸压范围没有较大差别,总体表现为中部卸压带高度要大于上下部顶板卸压带高度。随着工作面继续推进,工作面不同位置处顶板的卸压带高度发生了变化,中上部顶板的卸压带高度明显要大于中下部顶板的卸压带高度。这主要是由于急倾斜煤层开采后,中上部顶板破坏、垮落后先充填中下部采空区,导致中下部顶板破坏高度相对于中上部顶板要小。这也说明在正常推进过程中,工作面中部或者中上部的矿压显现要较工作面下部强烈。

2.2 覆岩破坏规律

3DEC数值模拟软件采用离散单元法编制,可以考虑岩层的原生裂隙、次生裂隙,能够模拟岩块的断裂、离层、回转、挤压等岩石力学行为,能够识别由于岩块断裂、冒落而产生的新的接触,对于模拟采场围岩的运移特征非常适合。图 4为建立的3DEC模型,图 5为工作面推进 80m后的顶板垂直位移等值线。

图3 沿工作面倾向垂直应力分布

通过图 5可以明显看出工作面顶板岩层垂直位移等值线形成类“乁”型曲线,中上部顶板岩层的垂直位移要大于下部顶板岩层的垂直位移,顶板的破断运动要较缓倾斜煤层复杂。

3 现场实测

通过现场实测,统计了工作面不同位置支架的日平均工作阻力 (表 1),做出了工作面支架沿倾向和走向的平均工作阻力等值线,如图 6所示。可以看出,开采初期,工作面下部压力较大,从下到上压力呈阶梯状递减;随着开采进行,高压力区很快向工作面中部偏移,工作面下部的压力变小,上部压力变化不大,这是由于随着工作面推进,中上部冒落的矸石滚向下部,使得工作面下部充填较好。正常推进期间,工作面中部压力最大。

表1 工作面不同位置支架日平均工作阻力 kN

图4 3DEC模型

图5 垂直位移等值线 (工作面推进 80m)

图6 工作面支架工作阻力等值线

4 结论

急倾斜薄煤层走向长壁工作面采空区不同位置的冒落矸石充填结果不同,下部充填较好,中上部悬空,造成工作面矿压显现不均,中部压力最大,下部和上部较小,下部顶板破坏高度相对于中部顶板要小,顶板的破断运动要较缓倾斜煤层复杂,给顶板的支护和控制带来了很大的困难。

[1]钱鸣高,石平五 .矿山压力与岩层控制 [M].徐州：中国矿业大学出版社,2003.

[2]石平五,高召宁 .急斜特厚煤层开采围岩与覆盖层破坏规律[J].煤炭学报,2003(2).

[3]刘全明 .大采高综放工作面长度的空间效应初探 [J].煤矿开采,2010,15(3)：27-29.

[责任编辑：邹正立 ]

Underground Pressure Behavior of Mining Steeply-inclined Thin Coal-seam

SUN Xiao-dong1,2,J IA Guang-sheng3,MAO De-bing1,2
(1.Coal Mining&Designing Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.Coal Mining&Designing Department,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China;3.Shanxi Tiandi Wangpo Coal Co.,Ltd,Jincheng 048021,China)

Underground pressure behavior of mining steeply-inclined thin coal-seam was researched by numerical simulation and on the-spot observation.Results showed that underground pressure behavior was different in different places.During mining period,underground pressure behavior in medium and upper segment of mining face was stronger than that in lower segment.

steeply-inclined thin coal-seam;underground pressure behavior;numerical simulation;on-the-spot observation

TD323

A

1006-6225(2011)02-0094-03

2010-10-28

孙晓冬 (1984-),男,河南濮阳人,在读硕士研究生,从事矿山压力等方面的研究。