近距煤层上行开采底板稳定性分析_黄庆享
DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.1996.04.001
第16卷 第4期 1996年12月
西 安 矿 业 学 院 学 报
JOURNALOFXI′ ANMININGINSTITUTEVol.16No.4
Dec.1996
近距煤层上行开采底板稳定性分析
黄庆享
(西安矿业学院资源开发与管理工程系,西安710054;男,30岁,博士生)
摘 要 通过现场掘探巷实测,取样测定底板岩层物理力学参数,并在相似模拟和数值计算基础上,分析了条带采空区上近距离煤层上行开采工作面底板稳定性,探讨了底板关键层的失稳机理,提出了确定可行开采方法的原则。
关键词 近距煤层 上行开采 底板关键层 稳定性中图分类号 TD823.81
陕西彬县百子沟煤矿四号井西一采区4号煤层下部12m处为6号煤层条带采空区,上部2m处又有已受小窑采动的3号煤层。为了缓解矿井采掘按替状况,拟对4号煤层进行开采。为此,百子沟矿与西安矿院达成协议进行上行开采可行性研究,本文结合研究成果对上行开采底板稳定性进行了分析。
对上行“登空”采煤的机理和准则,国内外研究较少,且认识也不统一。一种观点认为上层煤应处于下层煤开采形成的围岩弯曲下沉带,层间距为下层煤厚度的40～50倍以上;也有一种观点认为只要处于不规则垮落带上方即可,但垮落带高度的计算差异较大。而对于条带采空区上方近距离煤层上行开采的可能性及其工作面失稳机理,国内尚未进行研究。
1 4号煤层围岩概况
西一采区4号煤层埋深约140m,采区走向长240m,倾斜长200m,煤层近水平赋存。4号煤层上部约2m厚的泥岩之上为3号煤层小窑破坏区,下部约12m为6号煤层条带采空区(采20m留10m煤柱)。煤系地层为中侏罗统延安组。由于上行开采底板稳定性直接关系到工作面稳定性,故对4号煤层底板岩层进行实测,得到柱状如图1所示,取样测定的岩石物理力学指标见表1。
表1 4号煤层底板层物理力学参数表
序号1
234567
岩 性 炭质泥岩中粗粒砂岩粉砂质泥岩细砂岩
中粗粒砂岩粉砂岩4号煤
弹性模量/MPa2.3×1031.1×1045.0×1035.1×1041.4×1046.8×103
泊松比0.130.150.160.080.080.09
内聚力/MPa3.119.07.86.111.09.3
内摩擦角21.8°21.4°23.8°30.4°21.8°26.6°
抗拉强度/MPa
1.70.30.30.40.30.4
抗压强度/MPa13.32.20.23.18.37.12.
6190940
收稿日期 1996-07-02
292西 安 矿 业 学 院 学 报1996年2 4号煤层围岩现状实测与模拟
在4号煤层上行开采区内掘探巷两条,深入采区50
掘进头动m。揭露的情况表明,4号煤层顶底板无明显破裂。
态仪测站实测41d,巷道顶底移近速度小于0.1mm/d,说
明6号煤层条带煤柱尚处于稳定状态,条带工作面冒落带
高度未波及4号煤层。
有限元数值计算及相似材料模拟一致表明6号煤层条
带采空区内顶板拉破坏区(或离层垮落)高度为6m左右,
这与现场开采提供的经验数据相符,说明计算与模拟参数
选取正确,结果可靠[1]。
值得注意,条带采空区冒落后并末充填满采空区(相似
模拟结果),4号煤层仅存约5m厚岩层,上行开采工作面
底板破断沉陷有活动空间。显然,开采中若底板破断失稳则
工作面失稳。此外,在开采中若6号煤层条带煤柱失稳也必
然会引起4号煤层底板失稳及工作面失稳。因此,4号煤层
上行开采的可行性主要取决于开采过程中工作面底板及其
下部条带煤柱的稳定性。图1 4号煤层底板岩层柱状图3 上行开采模拟及底板关键层稳定性分析
在对4号煤层用走向长壁、条带式、巷柱式上行开采的相似模拟与数值计算过程中发现,底板岩层中部约2m厚的砂质泥岩在围岩结构中出现破坏区时,底板及工作面才失稳,可以认定该岩层为底板关键层。实验中还发现6号层条带煤柱很少出现失稳,而煤柱失稳对工作面的影响主要通过使底板关键层失稳来体现。因此,上行开采工作面稳定性可通过分析其底板关键层的稳定性进行探讨。
3.1 走向长壁开采
以80m长的走向长壁工作面进行
上行开采,数值计算中工作面侧帮煤体
及其下部底板岩层、6号煤层条带煤柱
出现贯通破坏区,底板关键层主要为拉
破坏区,底板和工作面将失稳。相似模拟
则直观地显示出工作面侧帮煤体及其底
板破断并沉陷于下部条带采空区内,沉
陷量达0.6m以上。工作面中部对应于
条带采空区之上的底板岩层也出现破断
沉陷,工作面失稳。
底板关键层的应力分布如图2所
示,图中S1为水平应力,S2为垂直应图2 走向长壁开采底板关键层应力分布
第4期黄庆享 近距煤层上行开采底板稳定性分析293力,拉应力为负,压应力为正。关键层中垂直应力峰值(|S2|max)为12.3MPa,是6号煤层条带开采引起波浪式垂直应力峰值的2.1倍,是原岩(未受任何采动影响时)应力的3.8倍,垂直集中应力高。水平应力则由原岩1.2MPa挤压应力变为0.3MPa拉应力(|S1|max)一应力已达到该岩层岩块的单向抗拉强度,超过了岩体的抗拉极限。所以工作面失稳是因底板关键层拉破坏所引起的。底板岩层破断后的进一步沉陷则是由高垂直集中应力的剪切作用造成的。
3.2 条带开采
上行条带开采参数仍选用采20m留10m煤柱,并与下部6号层煤柱对齐布置。相似模拟中,当开挖至第4条带时工作面底板破断失稳,条带煤柱及其底板岩层沉陷于下部条带采空区,工作面失稳。数值计算模拟也得出相似结论,即开挖第4条带后底板关键层出现拉破坏区,预示了工作面将失稳。
数值计算模拟开挖第1条带后,底
max为5.6MPa,S1max为板关键层|S2|
0.03MPa;开挖第2条带后,|S2|max为
6.4MPa,S1max为0.06MPa;开挖第3
条带后,|S2|max为7.1MPa,S1max为0.
08MPa,开挖第4条带后底板关键层应
力分布如图3所示,|S2|max高达7.3
MPa(为原岩应力的2.3倍),S1max增至
0.1MPa。以上数据表明,水平拉应力增
长幅度大于垂直峰值应力的增长幅度,
当达到岩体抗拉极限后破断失稳。
条带开采失稳时的|S2|max及S1max
值都远小于长壁开采时的值,说明通过改变开采参数可使底板关键层不失稳,实现安全的上行开采。
3.3 巷柱开采
根据4号煤层顶底板情况,决定采用开挖5m宽巷留间隔煤柱的方法开采,煤柱尺寸按有关矿压理论选用10m。相似模拟挖了6条宽巷,工作面没有发生失稳现象,数值计算模拟中底板关键层没有出现破坏区,关键层中的应力分布如图4所示。|S2|max约为原岩应力的1.6倍,基本上没有改变6号层开采时引起的波浪式应力分布。水平应力S1仍为挤压应力,S1max为-0.52MPa,这是巷柱式开采时底板和工作面不失稳的原因。
表2 上行开采底板关键层应力极值对比
应力
|S2|max/MPa
S1max/MPa原岩3.2-1.36号煤层条带开采4.9-0.54长 壁10.30.34号煤层上行开采条 带5.6～7.30.03～0.1巷 柱4.8-0.52图3 条带开采底板关键层应力分布
不同的上行开采方法在底板关键层中形成的最大垂直压应力|S2|max及最大水平拉应力()2
294西 安 矿 业 学 院 学 报1996年其极值与下部6号层条带开采引起的极值基本相同,水平挤压应力虽略有减少,但仍为挤压应力。因此,只要调整上行开采参数使底板
关键层不出现拉应力便可保障上行开采
安全。
结 论
1)近距离煤层上行开采的可能性
主要取决于是否存在稳定的度板岩层,
开采的可行性取决于开采过程中底板岩
层的稳定性。
2)条带采空区上近距离煤层上行
开采工作面底板稳定性取决于底板关键图4 巷柱式开采底板关键层应力分布
层的稳定性。底板关键层是指底板稳定岩层中分层厚、强度大的岩层。它的位置一般可根据地质赋存条件进行初步判断,然后根据相似模拟和数值模拟进行分析确定。条件许可的情况下,可采取必要的现场实测提高判断的可靠性。
3)上行开采中底板关键层的失稳主要为拉伸破坏。下层煤条带开采和上层煤上行开采都会使底板关键层中压应力降低,甚至出现拉应力,造成底板失稳。可行的上行开采方法应以不使底板关键层出现拉应力为准。
4)百子沟矿4号井西一采区条件下,用80m走向长壁式和采20m留10m煤柱的条带式上行开采,工作面都因底板关键层出现拉伸破坏而失稳。采5m宽巷留10m煤柱方式没有在底板关键层中形成拉应力,因而确定为可行的上行开采方法。
参 考 文 献
1 黄庆享,苏普正,何万盈,等.特殊条件下近距离煤层上行开采研究.陕西煤炭技术,1996,(2):12～16
ANALYSISOFFLOORSTABILITYOFASCENDING
MININGINTHECONTIGUOUSSEAMS
HuangQingxiang
(Dept.ofResourcesExploitationandManagementEngineering,Xi'anMiningInstitute,Xi'an710054)
Abstract Throughthefieldmeasurementofdrivingtestroadsandsamplingtodeterminethephysical-mechanicalparametersofthefloorstrataandbasedonthesimulationmodeltestandnumericalcalculation,thefloorstratastabilityofthecontiguousseamsinascendingmin-ingfaceabovethepartialmined-outareaisanalyzed,thedestabilizingmechanismofthekeyfloorstrataisinvestigated,andtheprincipletodeterminethereasonableascendingminingmethodisputforward.
辽公网安备 21020302000024号工信部备案号: 辽ICP备15011726号-5
