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特厚综放大结构顶板强矿压区域治理技术研究.pdf
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1、JinnengnceandTechnology2023年6 月第3 期(总19 1期)晋控科学技术特厚综放大结构顶板强矿压区域治理技术研究夏洪春1,严滑钧1纪润清?,尹训强(1.大连大学建筑工程学院,辽宁大连116 6 2 2;2.晋能控股煤业集团有限公司技术中心,山西西大同037004)摘要:煤炭开采过程中,由于强矿压的作用会引起各种复杂的动力现象,影响采矿作业的正常进行,威胁煤矿的安全生产,探索新的技术途径控制特厚煤层开采中强矿压难题势在必行。以大同塔山煤矿为工程研究对象,运用三维计算机模拟、实验室研究和工业性试验研究,分析多煤层开采时,解放层山4煤层采动后对3-5 煤层开采的影响,研究利
2、用解放层开采区域治理大结构顶板强矿压技术,并分析该技术的适用条件和作用,获得基于解放层开采区域的特厚综放大结构强矿压顶板运动规律、矿压显现规律及控制措施等,为特厚煤层综放大结构顶板强矿压开采支护方式选择、巷道布置形式、支架选型以及支架控制技术参数的确定提供依据,为类似条件下的煤层开采开创了新的技术途径。关键词:解放层开采;特厚煤层;顶板控制;强矿压显现;强矿压控制技术中图分类号:TD323文献标识码:A文章编号:10 0 0-48 6 6(2 0 2 3)0 3-0 0 0 1-0 8D0I:10.19413/ki.14-1117.2023.01.0010引言煤炭是我国的主要能源,随着煤炭资源
3、开采规模的增大和采深的增加,开采对象逐渐转向深部煤层,煤矿事故的发生频率也在相应增大,而这引起了社会各界的广泛关注。虽然专家们对于特厚煤层开采后巨大空间上方的顶板形成的大结构控制难题做了诸多研究,但开采中强矿压仍难控制,时有压死支架等顶板事故发生,给安全生产带来了隐患。因此,探索新的技术途径控制特厚煤层开采中强矿压难题势在必行。为了达到煤层的安全高效、高回收率开采,目前一系列矿压控制技术被广泛使用。于斌等 提出并实施了巷道顶板水压致裂有效控制技术,降低了强矿压显现强度,实现了临空巷的卸压处理。吴疆2 采用深孔卸压爆破技术对区段煤柱进行弱化处理,使爆破后煤柱下方垂直应力大幅度降低,为爆破前的42
4、%。雷雨龙3 提出了通过巷道围岩爆破卸压、煤壁注浆加固以及加强监测预防的综合性矿压控制技术。朱先龙等4为了使工作面支架能够承载顶板压力,切眼向前每隔20m采用超前深孔预裂爆破措施,提出了砂岩直覆顶板预裂爆破矿压控制技术。董合祥提出并实施了特厚煤层坚硬顶板留窄煤柱护巷技术,使得临空巷道围岩控制效果较好。贾渊提出了包括高预应力强力支护技术、小煤柱巷道碉室填充技术、水火瓦斯安全保障技术以及小煤柱巷道的综合监测技术的特厚煤层孤岛工作面开采小煤柱沿空掘巷的加强支护形式以及孤岛工作面小煤柱沿空掘巷成套技术体系。王永仁等7 分析了在不同炮孔角度下,超前深孔顶板预裂爆破单孔爆破方式和组合爆破方式的爆破效果,得
5、到了超前深孔顶板预裂爆破的最佳炮孔角度,并得出超前深孔顶板预裂爆破可有效地降低巷道围岩应力。王萌萌8 提出采用注水软化和定向爆破相结合弱化侏罗系残存煤基金项目:辽宁省“兴辽英才计划”项目:基于实时数据分析的采场重大安全隐患排查云服务平台研究,编号:XLYC1807219;大连市青年科技之星项目:编号:2 0 2 0 RQ057;大连大学科研创新创业团队项目:能源(地下)工程开发与灾害控制,编号:XQN2020022023年第3 期JinnengHoldingienceandTechnology晋控科学技术柱技术,有效降低石炭系煤层工作面动载冲击特征。张晓冬等9 通过观测研究工作面围岩在开采中的
6、移动规律,分析得出采用锚网索联合支护方案使得围岩控制效果较好。何东升等Io研究发现对留巷顶板、煤柱帮采取补强支护以及巷内采取架棚支护,有助于控制顶板大结构稳定并减少其下沉量。段宏飞等通过垮落角研究,有效指导及优化特厚煤层顶煤采放工艺。为了控制晋能控股煤业集团塔山煤矿(简称“塔山煤矿”)的强矿压,在开采前及开采过程中采取了许多措施,比如石炭系煤层开采方案优化,包括采空区充填开采、工作面布置优化、回采巷道支护方案优化、顶板及煤体水压致裂技术、煤柱边界预爆破技术等措施,但开采中强矿压仍难控制,时有压死支架等顶板事故,给安全生产带来了隐患。因此,为了解决塔山煤矿特厚综放大结构强矿压控制难题,提出了开采
7、解放层卸压,从而控制强矿压显现的技术难题。本文基于塔山煤矿的基本资料,运用三维计算机模拟、实验室研究和工业性试验研究,分析多煤层开采时,解放层山4煤层采动后对3-5 煤层开采的影响,为特厚煤层综放大结构顶板强矿压开采支护方式选择、巷道布置形式、支架选型以及支架控制技术参数的确定提供依据。1工程概况塔山煤矿的主采煤层为3-5 煤层。3-5 煤层,夹620层夹研,多为高岭岩、砂质泥岩和炭质泥岩等,中上部有煌斑岩侵入,煤层倾角0 5,平均3,平均厚16.22m,3-5 煤层直接顶为煌斑岩,直接底为细砂岩,基本底为坚硬中砂岩及细粉砂岩互层。上覆山4煤层作为解放层,标高为42 0.9 1m,平均厚度3.
8、2 7 m,不稳定,由于受煌斑岩侵人,煤质变化十分复杂,局部变质为变质煤、硅化煤及煌斑岩的混合体。3-5 煤层与山4煤层间距为2 9.8 5 m。所研究的3-5 煤层8 10 8 工作面位于塔山一盘区中部,工作面走向长度2 18 6 m,倾斜长度2 0 7 m,东邻8107工作面正在回采,南以10 7 0 回风巷为界,联通1070皮带巷、辅运巷,西为8 10 9 工作面正在掘进,北至口泉铁路解放煤柱,工作面采用三巷平行布置。山4煤层8 10 1工作面走向长度18 6 7.8 19 18.8 m,可采走向长17 9 2 m,倾斜长度为2 2 8 m,采高为0.8 7 3.3 7 m,平均2.6
9、4m,工作面采用双巷布置。塔山煤矿山4煤层与现开采的一盘区8 10 8 工作面3-5 煤层采用内错布置方式,内错距离为2 5 m,煤柱宽度为5 0 m,工作面切巷内错2 0 m,通过单独开采3-5煤层以及先开采山4煤层后开采3-5 煤层的试验模拟,分析解放层开采对顶板强矿压的影响。2解放层开采及未开采下位采动煤层覆岩运动规律研究本节主要采用数值模拟及二维相似材料模拟等手段,通过采用消除冲击地压法模拟解放层开采来释放由于地质构造、坚硬顶底板及多煤层开采中引起的强矿压。通过研究解放层开采及未开采时下位采动煤层覆岩结构演化规律,研究解放层开采与未开采过程中被解放层应力、位移变化情况和覆岩破裂运动状况
10、,分析被解放层应力、位移变化规律等。2.1数值仿真模拟2.1.1煤岩层主要力学参数数值计算中煤岩体材料均视为弹塑性材料,各煤岩层力学参数如表1所示。表1各煤岩层的力学参数表内摩位置容重抗压强抗拉强粘聚力弹性模擦角泊松比岩性/(gcm)度/MPa度/MPa/MPa量/GPa)粉砂岩2.6749.674.95.0622.5212.150.24中粗砂岩2.6248.334.76.8131.23100.26细中砂岩2.5333.673.45.6327.6110.22粉细砂岩2.5384.977.97.5421.4210.50.21山4煤1.3132.22.623.7327.42.90.24煌斑岩2.6
11、633.673.67.624100.249煤1.3132.22.623.7327.42.90.24细砂岩2.53636.29.6127.0612.150.239砂质泥岩2.5280.0916.4911.222.115.450.2互层石英砂岩2.53636.29.6127.0612.150.2392.1.2模型尺寸及边界条件根据8 10 8 工作面的布置情况、技术特征以及煤层夏洪春,严滑钧,纪润清,尹训强:特厚综放大结构顶板强矿压区域治理技术研究2023年第3 期赋存情况,基于FLAC3D软件建立了走向为10 0 0 m、倾向为6 0 0 m的模型,并且其开采体系由煤岩体系构成,整体模型网格划分
12、为6 2 0 0 0 0 个单元,而且适当加密解放层与被解放层的网格,如图1所示。山4#3-5#图18108工作面数值计算模型顶板采用全部垮落法管理,煤层开挖时,初次来压之前直接顶的垮落,用空(null)模型来模拟,不参与计算;初次来压完成后,直接顶、老顶再次垮落时,,开挖和垮落的模型空间用Morh-Coulomb弹塑性模型来模拟,用其充填空间,不参与计算。模型为规范的六面体,模型底部限制水平和垂直位移、侧面限制水平位移,故皆视为变形约束边界,定义应变为零。模型上部为自山边界,故取数值为7.9 6 MPa的均布荷载来模拟覆岩层产生的自重应力。该采区内构造不发育,故暂不考虑构造应力对模型产生的影
13、响。2.1.3山4#煤层和3-5#煤层全部开采其顶板垂直应力演化规律研究山4解放层开采完成后分别对3-5 煤层推进10m,20 m,30 m,40 m,60 m,80 m,120 m,160 m,200 m,270m,3 0 0 m,3 5 0 m。本文仅列出工作面推进3 0 m、160m、3 5 0 m 时的情况进行分析,3-5 煤层顶板应力分布情况如图2 所示。Contmrds/lCrheullalultin-3.4784X1710-3.25X:+(X17-3.2500-H0710-3.0XXXX-X73.00X4007-27500PH0072.7500-40072.5000k400m2.
14、50X04(X17.10-2.25X(X072.2500-40X07k0-2.000-40072.00XXk-40070-1.750k-+007-1.750+0070-1.5000-+0071.5000/+X7-1250k:+00-1.2500-XF710-1(XX0-+(07-10XX0-H00710-75000-X67.5X-X0t-5.000k-4000-5.0XXXM-+X610-2.50XX0+(X6-2.500-HXK0.00X+0000.0000+000109.0081+005(a)3-5 煤层推进3 0 mCntnirifSlMuf0.00h-000GtalientCakaed
15、iin3.946.344007t0-3.500XX40073.50X0-4X1710-3.000A-40073.000X0-00710-2.5(XX0-4X072.5000k4-00710-2.000-4007-2.0XXK+X17-1.5000-10071L50Xk-0710-1.0XXX0+(X171:0000-007.t0-5.(XXX0-+005.0000:-00610.00-40000.0000%-000101.2633400%(b)3-5*煤层推进16 0 mMa-0.000-i000Giralient Cadleslation4.9774+007t-4.5000-+0017-4.
16、50X-+007-4.00XXk(X174.(X00XX-4(X0761*3.50XK-007-3.50X4007-1000-+03.0000k-+00710-2.500+0072.50XX-4007-2XXX0-X072.0XXXW-40071-1500-007-15000-4X1710-1.00X007-1.0XXMA-+007-5.1X00+(KK-5.00006000000)0.0XX0-+0XX0101.2733e+00)Interval-5.0+(xin(c)3-5 煤层推进3 5 0 m图23-5煤层顶板的垂直应力分布解放层与被解放层都开采时,由于被解放层的内错开采,使其从开切眼
17、时就处于上解放层开采后的底板卸压区,被解放层开切眼的外侧和工作面前方岩体的应力集中现象大大降低,应力集中系数为1.5 左右,随着工作面的继续推进,被解放层最大主应力呈W型分布,煤层膨胀变形呈M型分布。2.1.443-5#煤层单独开采其顶板垂直应力演化规律研究CantnirursIiMain:-,(KXe+(KK)GrdientCakolation-1.66090HX0710m1.60XX0:+(X171.6000k-007t0-1.40XX0+(071.4000-007W-1.20000+0071.20X007.t0-1.(000k-007-1.007t08.0000k400-8.00-001
18、0-60000-+06.0XX-+060-4.1XX0-HX64.00Xk-0610-2.0000k+00m2.00000+06t00.00000+0000.00XX:+0XX)07.350X1SIntenval=2.(k+006(a)3-5 煤层推进3 0 mMagfarmo.Xxk-tXx)Ciriwieu Cakaulaion2.98540+007t0-2.50XXk-(07-2.5000k-+007t0-2.00X00(X72.00Xk-100710-1.5000+007-15(X0-4007t0-1.00Xk4007-1.00XXk+0X070-5.XX00e-4X-5.0XXk-X
19、06t0.0.0XX0-40000.00X-+000105.9228e+005nterval=5.k-HX6(b)3-5*煤层推进16 0 mContoaurof.LCralienuCaleulation3.5389-40071-3.500-40073.5(XX0-+(X0710-3.XXk-4(073.000-+0X0710-2.5000-H0072.5000k-(0070-2.00XXk+0X017-2.0XXXk:+007101.50k-+0071.5(XX-+0710-1(XK0-H071.0000+0070-3.00X%-+00%5.0000HX0100.000-+XX)0.00-(
20、XX)05.8482(X05IntervalS.o-+XXi(c)3-5 煤层推进3 5 0 m图3单独开采3-5*煤层时其顶板的垂直应力分布4Jinneng HoldingScience and Technology2023年第3 期晋控科学技术单独开采3-5 煤层时其顶板应力分布情况如图3所示。随着工作面的推进,切眼的外侧和工作面前方岩体将产生应力集中,应力集中系数为3 左右。通过对比分析可知,当解放层开采后,3-5 煤层顶板垂直应力降低了3 0%左右。2.2二维相似材料模拟实验2.2.1实验方案的设计及模型建立根据塔山煤矿8 10 8 工作面钻孔柱状图,结合实验台的尺寸,设计二维相似模型
21、长3 m,宽0.3 m,高1.4m。模拟的煤层厚度为16.2 2 m,分多阶段开采,每次采出1cm相当于实际开采2 m,采煤方法为走向长壁垮落式。本实验根据给定的岩石力学参数选取配比及相似材料用量,层理及节理由铺设云母解决。模型先开采解放层山4煤层,距边界0.5 m处开始布置工作面,工作面推进距离为1.3 m,即实际推进247m,为山4煤层工作面长度;当解放层工作面顶板稳定后,开采3-5 煤层,距边界0.6 m处开始布置工作面,工作面推进1.0 3 5 m,即实际推进2 0 7 m,为3-5 煤层工作面长度。共布置6 条水平测线、应力测点7 0 个,测点间距为2 0 0 mm。开采布置示意图见
22、图4所示。为了更加精确地测量开采过程中上覆岩层的运移情况,在模型中共设置了2 7 0 个位移测点,其中选取山4#煤层顶板上方由下往上依次为2 9#、4 9#、6 9#测点,用以观测煤层开挖后顶板沉降情况,在山4煤层与3-5 煤层之间选取1 9*测点(距3 5*煤顶板10 cm)用以观测3-5 煤层顶板沉降。试验台边界模型顶部边界998500mm山4煤层3-5煤层4一8 10 8 工作面传感器底板600mml2.00012002003.000mml图4实验模型尺寸及应力测点布置示意图(1:2 0 0)2.2.2模拟结果分析(1)解放层开采(山4煤层)结果分析通过观测可得山4煤层开采过程中覆岩层运
23、动变化情况为:随工作面推进,山4煤层上部直接顶首先离层弯曲下沉直接顶垮落下位基本顶弯曲下沉裂断上位基本顶弯曲下沉裂断一基本顶组合上覆岩层向上发展。山4煤层开采时,初次来压步距约为10 0m,周期性来压步距约为2 0 m,覆岩破坏高度约为40 m。(2)3-5#煤层模拟结果分析通过观察可得3-5 煤层8 10 8 工作面开采覆岩运动变化情况为:随着工作面的推进,首先由基本顶断裂引起周期“小压”反复发生,随后由上位关键层破断形成周期“大压”,工作面来压将重复上述过程形成一定的来压规律。其中周期“小压”步距为2 0 40 m,周期“大压”步距为45 5 8 m。此时弯曲下沉岩层与解放层开采已裂断岩层
24、耦合破断导致工作面产生强矿压。3-5煤层开采完毕后,开采边界的顶板垮断角基本对称,约为6 5,垮落形态近似呈梯形。(3)上覆岩层位移监测分析距离/m05010015020025030006-9*测点0.54-9#测点1.522-9测点2.5图5山4煤层开采时顶板下沉曲线距离/m020406080100120140160180200220240016-9测线21-9#测线34-9”测线452-9”测线6图6 3-5 煤层开采时顶板下沉曲线2023年第3 期夏洪春,严滑钧,纪润清,尹训强:特厚综放大结构顶板强矿压区域治理技术研究从图5 和图6 可得,山4煤层与3-5 煤层开采时覆岩沉降曲线在空间上
25、产生较大的竖向位移,分别为2cm与5 cm,即下沉量分别为4m与10 m。通过2-9#、4-9#、6-9*测点可以看出,当3-5 煤层开采后,顶板在原有下沉基础上,下沉量都有了不同程度的增加,最大下沉量增加了6 cm。3解放层开采后下位采动煤层覆岩破坏结构特征研究本节主要构建基于解放层开采区域的特厚煤层综放大结构顶板破断结构演化模型,推演3-5 煤层开采时破断顶板发育扩展高度,考察山4煤层开采完毕对3-5煤层开采影响。3.13-5煤层开采时覆岩破坏结构规律研究在解放层开采条件下,3-5 煤层开采工作面上部形成了“块体-散体-铰接岩梁”的覆岩结构形式。图7为下部采场覆岩破坏结构演化图,当推进距离
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