大倾角厚煤层走向长壁分层开...再生顶板力学行为与稳定控制_池小楼.pdf
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1、大倾角厚煤层走向长壁分层开采再生顶板力学行为与稳定控制池小楼1,2,杨科1,2,付强1,2,张寨男1,2(1.安徽理工大学矿业工程学院,安徽淮南232001;2.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室,安徽淮南232001)摘要:针对大倾角厚煤层走向长壁分层开采再生顶板稳定性控制工程难题,结合淮南潘北煤矿1212(3)厚煤层分层工作面地质与工程条件,综合运用矸石侧限压缩试验、三维成像钻孔探测试验以及物理模拟与数值模拟等研究方法,分析了含水率、压缩率和粒径级配等因素对矸石压缩特性的作用机理及其对再生顶板稳定性影响程度的关联特征,获得了再生顶板结构特征与应力状态,揭示了再生顶板采动力
2、学行为,制定了再生顶板稳定性控制措施,评价了再生顶板稳定性控制效果。研究结果表明:采空区泥岩与砂质泥岩黏土矿物含量高,利于矸石二次胶结;矸石受载压缩过程中的接触状态与应力状态不断调整,表现为再生顶板结构垂向上,下部与上部矸石压缩胶结程度均高于中部,倾向上,中上部矸石压缩胶结程度最小,再生顶板更易破坏;矸石粒径级配是影响再生顶板抗剪强度的主要因素,随矸石粒径增大,再生顶板表现出沿剪切线滑移到矸石颗粒错动鼓出的延性破坏,即再生顶板倾向下部采动破断剧烈程度较中上部缓和,中上部是再生顶板稳定性控制的重点防控区;主应力偏转驱动下分层采场空间不同区域再生顶板破断,提出再生顶板冒顶和煤壁片帮注浆与架棚加固方
3、案,通过监测煤壁片帮深度与支架压力,再生顶板稳定性控制效果良好。关键词:大倾角厚煤层;重复采动;再生顶板;分层开采;围岩控制中图分类号:TD325文献标志码:A文章编号:02532336(2023)06000110Mechanical behavior and stability control of regenerated roof in long wall stratifiedmining of thick steeply dipping coal seamCHIXiaolou1,2,YANGKe1,2,FUQiang1,2,ZHANGZhainan1,2(1.School of Mini
4、ng Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China;2.State Key Laboratory of Mining Response andDisaster Prevetion and Control in Deep Coal Mines,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China)Abstract:Thisstudyfocusedonthestabilitycontrolofroofinlongwall
5、stratifiedminingoflargedipanglethickcoalseam.TakingPan-beiCoalMineinHuainanasanexample,theeffectmechanismofwatercontent,compressionratioandgrainsizegradingonthecompres-sioncharacteristicsofgangueisanalyzedbycomprehensiveapplicationofganguelateralcompressiontest,3Dimagingboreholedetec-tiontest,physic
6、alsimulationandnumericalsimulationmethod.Inaddition,theeffectofthesefactorsonthestabilityofthereclaimedroofwerealsoanalyzed,thestructuralcharacteristicsandstressstateofthereclaimedroofwereobtained,thedynamicbehaviorofthere-claimedroofwasrevealed,thestabilitycontrolmeasuresofthereclaimedroofwereformu
7、lated,andthecontroleffectofthereclaimedroofstabilitywasevaluated.Theresearchresultsindicatethattheclaymineralsofgoafmudstoneandsandymudstonearebeneficialforthesecondarycementationofgangue.Thecontactstateandstressstateofthegangueduringcompressionunderloadareconstantlyadjus-ted,manifestedasthecompress
8、ionandbondingdegreeofthelowerandupperganguebeinghigherthanthatofthemiddle,withthecom-pressionandbondingdegreeofthemiddleandupperganguebeingthesmallest,andtheregeneratedroofbeingmorepronetodamage.The收稿日期:20230301责任编辑:朱恩光DOI:10.13199/ki.cst.2023-0334基金项目:中国博士后科学基金面上资助项目(2022M721296);安徽理工大学高层次引进人才科研启动基
9、金资助项目(2021yjrc10)作者简介:池小楼(1992),男,山东菏泽人,讲师,博士。E-mail:通讯作者:杨科(1979),男,四川叙永人,教授,博士。E-mail:第51卷第6期煤炭科学技术Vol.51No.62023年6月CoalScienceandTechnologyJun.2023采矿科学与工程池小楼,杨科,付强,等.大倾角厚煤层走向长壁分层开采再生顶板力学行为与稳定控制J.煤炭科学技术,2023,51(6):110.CHIXiaolou,YANGKe,FUQiang,et al.Mechanicalbehaviorandstabilitycontrolofregenerat
10、edroofinlongwallstratifiedminingofthicksteeplydippingcoalseamJ.CoalScienceandTechnology,2023,51(6):110.1particlesizedistributionofgangueisthemainfactoraffectingtheshearstrengthofrecycledroof.Astheparticlesizeoftheganguein-creases,theregeneratedroofexhibitsductilefailurethatslidesalongtheshearlinetot
11、hestaggeredandbulgingofthegangueparticles.Thatis,thedegreeofminingfractureinthelowerpartoftheregeneratedrooftendstobemilderthaninthemiddleandupperparts,andthemiddleandupperpartsarethekeypreventionandcontrolareasforthestabilitycontroloftheregeneratedroof.Thedeflectionofthemainstresscanleadtothefractu
12、reoftheregeneratedroof,soaplanforthecollapseoftheregeneratedroofandthegrouting.Key words:steeplydippingthickcoalseam;repeatedmining;regeneratedroof;stratifiedmining;surroundingrockcontrol0引言大倾角(3555)厚煤层广泛分布于我国各大矿区,且 60%以上为优质焦煤或无烟煤,在我国煤炭资源开发中占据相当大的比例1。受大倾角厚煤层开采与非开采因素交互影响,以两淮矿区为典型代表赋存大倾角、厚(46m)、松软(普氏系
13、数 f=0.10.8)、高瓦斯(相对瓦斯涌出量 1036m3/t)和高承压富水松散层特征的难采煤层,常采用走向长壁分层开采2-3。区别于一次采全高,分层开采过程中的顶板漏冒、煤壁片帮、支架倒滑和飞矸伤人等灾害更为频繁,且较难控制4-7。对于下分层而言,再生顶板稳定性亦是大倾角厚煤层安全高效分层开采的核心问题,在我国部分矿井已是当务之急。因此,实现大倾角厚煤层安全高效分层开采对保障我国“易采”与“难采”煤炭资源并行可持续开发具有重要意义。在厚煤层分层开采中,上分层采空区矸石在上覆岩层载荷作用下逐渐压实,胶结成具有一定强度的再生顶板8-9。矸石压实胶结能力直接影响再生顶板强度,因此,分析多种因素影
14、响下的矸石压缩特性,获得再生顶板胶结强度参数及其重复采动后的力学行为特征,将是保障下分层再生顶板稳定性的关键。目前矸石侧限压缩特性研究主要集中在采空区充填开采领域10,有关专家学者通过建立考虑矸石粒径和多种颗粒介质及接触界面的颗粒流模型11-13,发现多数力链集中在较大矸石颗粒单元附近,形成“骨架力链”现象,裂纹亦主要产生在较大矸石颗粒单元周围,揭示了矸石骨料和胶结材料等因素对矸石在承载过程中瞬时与蠕变压缩变形的影响机制14。下分层开采迫使再生顶板结构活化,相较于完整岩体在不同应力路径与加载围压条件下的强度特征、变形参数和破坏模式,再生顶板破断力学参数与矸石粒径级配等因素存在密切联系15。综上
15、所述,众多学者研究了矸石压缩过程中的强度与变形特征,得到了系列压实参数随时间等变化规律。但大倾角厚煤层走向长壁分层开采中,上分层顶板垮落矸石在自重倾向分量作用下,沿底板向下滚/滑,形成矸石粒径在采空区倾向“上大下小”的非均匀充填带16,受采空区空间不同区域应力状态与矸石粒径级配等因素影响,再生顶板强度与变形特征的非对称性显著。下分层开采中,在重复采动应力驱动作用下,再生顶板结构二次活化,破断力学参数的区域效应亦将显著。因此,掌握再生顶板压实胶结状态及其采动力学行为将显得尤为重要。笔者首先测定了采空区泥岩和砂质泥岩 2 种岩性矸石的矿物种类及含量,分析微观形态结构;然后采用自制的压缩装置对矸石进
16、行侧限压缩正交试验,分析含水率、压缩率和粒径级配等因素对矸石压缩特性的影响规律,分析各因素对再生顶板剪切破坏的敏感度;最后通过现场钻孔窥视、数值模拟与物理模拟结果综合分析再生顶板采动力学行为,提出再生顶板稳定性控制措施,并进行现场效果评价。1工程概况与矸石矿物成分测定1.1研究工作面条件安徽淮南潘北煤矿 13 号煤层赋存稳定,平均埋深 435m,平均倾角 45,平均厚度 5.5m,普氏系数 f为 0.30.5;煤层顶板依次为厚 2.5m 泥岩、厚 6.8m砂质泥岩,底板为厚 3m 泥岩、厚 4.6m 砂质泥岩,泥岩与砂质泥岩硬度系数较低,平均普氏系数 f 为 3,属于大倾角“三软”煤层。121
17、2(3)工作面东起490m 西翼采区石门,西至十东线附近,南至400m 等高线,北至460m 等高线,工作面东侧为潘北矿工业广场保护煤柱,如图 1所示。上分层 6 年前已回采完毕,平均采高 2.5m,斜长 120m;下分层平均采高 3.0m,斜长 90m,综合机械化采煤方法,全部垮落法管理顶板。1.2采空区矸石矿物成分测定根据现场勘查,上分层采空区主要由岩性为泥岩与砂质泥岩的矸石组成。为了解泥岩和砂质泥岩胶结能力,测定了 2 种岩性矸石的矿物种类与含量,如图 2 所示,2 种岩性矸石矿物成分均含石英、云母与绿泥石,其中,泥岩矿物成分中石英含量 33.2%,砂质泥岩为 28.2%,构成了各自的固
18、相骨架;泥岩黏土矿物中绿泥石含量 31.8%,砂质泥岩为 14.1%,泥岩胶结能力强于砂质泥岩。2023年第6期煤炭科学技术第51卷21 5004 5007 5009 000816243240485664728002 0004 0006 000衍射强度/s1云母 10.1%斜绿泥石 31.8%衍射角/()石英 33.2%正长石 24.9%云母 31.4%斜绿泥石 14.1%石英 28.2%钠长石 26.3%泥岩砂质泥岩图2矸石矿物成分组成Fig.2Compositionofgangueminerals泥岩与砂质泥岩断口微观形貌结构如图 3 所示,受黏土矿物含量差异,泥岩断面平整,泥质胶结且致密
19、;砂质泥岩断口微孔洞发育,凹凸不平,可见大小不均、随机分布、棱角分明的石英与长石颗粒,表面附着鳞片黏土矿物。在煤层倾角影响下,上分层开采泥岩和砂质泥岩破断块体沿采空区向下滚/滑并充分混合,在上覆岩层载荷作用下,黏土矿物易挤入 2种岩性矸石断口微孔洞而固结形成下分层再生顶板。50 m50 m(a)泥岩(b)砂质泥岩黏土胶结断面平整石英骨架断口凹凸图3矸石微观形貌结构Fig.3Microstructureofgangue2矸石压缩特性与再生顶板稳定性2.1试验设计考虑到矸石粒径尺寸效应影响,根据有关专家学者研究17-19,要求试样直径与矸石最大粒径的比值 D/dmax5,本次试验模具直径 50mm
20、,试验选取最大矸石粒径 10mm。将现场采集的大块矸石经破碎机破碎,通过分级筛筛分得到 4 种粒径级配(1mm、13mm、35mm、510mm)的泥岩和砂质泥颗粒。选取矸石压缩影响因素中含水率、压缩率、粒径级配与体积级配进行 4 因素 4 水平正交试验,选取正交表为 L16(45),见表 1。上分层回采后,取冒落矸石的碎胀系数 1.720,矸石在上覆岩层载荷作用下重新压实、固结,取矸石残余碎胀系数 1.420,计算得矸石压缩率为 17.6%。基于分析,取压缩率因素的 4个水平为 18%、21%、27%、30%,压缸中颗粒填充高度135mm,则对应压缩量为 24.3、28.4、36.5、40.5
21、mm。含水率因素的 4 个水平设置为 5%、6%、7%、8%,根据正交试验设计原则,共设计 16 组试验。表 1 正交试验的因素和水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment水平因素含水率/%压缩率/%粒径级配体积级配1518(24.3mm)1砂质泥岩2621(28.4mm)13泥岩3727(36.5mm)35V(砂质泥岩):V(泥岩)=2:14830(40.5mm)510V(砂质泥岩):V(泥岩)=1:2注:括号内为压缩量。压缸由内径 50mm、高 140mm 的高强钢自制而成,包括双开缸筒、底座、紧固圈与压头。侧限压缩加载采用
22、WAW-2000 岩石万能试验机,位移加载,速率 0.01mm/s,加载至设定值后试验机稳压,时间5min。依据 GB/T23561 系列标准第 11 部分煤和岩石抗剪强度测定方法,设计 3 组圆柱内径 50mm、高 50mm 的变角剪切夹具(45、50、55),测定再生顶板抗剪强度,计算黏聚力与内摩擦角。试验前在模具剪切面涂抹润滑油,减小试验过程上下剪切面+6.3泥岩1212(3)上分层运输巷细砂岩砂质泥岩9.66.05.5.+细砂岩1212(3)下分层运输巷砂质泥岩F1212(3)565H=1.0 m砂质泥岩6.27.23.0.砂质泥岩400泥岩泥岩4.36.84.6砂质泥岩推进方向中砂岩
23、46013 号煤层细砂岩9.42.51212(3)下分层回风巷F1212(3)3 2280H=1.5 m2.4柱状层厚/m岩性1212(3)上分层收做线1212(3)上分层回风巷潘北矿工广保护煤柱线图1工作面综合柱状与布置Fig.1Comprehensivecolumnarandlayoutofworkingface池小楼等:大倾角厚煤层走向长壁分层开采再生顶板力学行为与稳定控制2023年第6期3间摩擦。采用高清数码摄像机拍摄再生顶板剪切破坏过程,试验设计如图 4 所示。2.2矸石侧限压缩力学特性矸石侧限压缩过程应力-时间动态演化可划分为初始调整、应力上升和压密固结 3 个时期,如图 5 所示
24、,压缩初期矸石颗粒松散、棱角分明,表现出压缩变形量大,持续时间长(约占总压缩时长的 50%),压实应力小(约占总压实应力的 10%)的特点,细小矸石颗粒填充空隙,接触状态调整缓慢;随压缩行程增加,矸石颗粒间呈密实接触,矸石颗粒棱角相互挤压-破碎-细化,黏土矿物运移充填断口石英骨架,加速矸石颗粒间接触状态调整,2 种岩性矸石逐渐胶结,应力状态向三轴应力状态转变,进入应力上升期,此时期压实应力呈指数增长(约占总压实应力的 48%);随压缩行程进一步增加,进入形变量小、持续时间短、压实应力变化小的压密固结期,最终形成以粗粒径矸石颗粒为骨架、细粒径岩块充填空隙的再生顶板。固结体试件分次填料分次捣实加水
25、均 匀搅拌侧限压缩时间应力扫描电镜X 射线衍射成分测定与岩块混合位移加载抗剪强度与单轴压缩试验高清摄像11335510单位:mm45直径502010012011图4矸石侧限压缩与再生顶板剪切试验设计Fig.4Sidelimitedcompressionofgangueandsheartestdesignofregeneratedroof初始调整期应力上升期压密固结期16141210试验组号压缩时间/s86420306090120150应力/MPa6.806.125.454.774.103.422.742.071.390.720.04图5矸石压缩过程应力-时间演化Fig.5Stress-time
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