汾源煤业大倾角煤层综放开采矿压规律研究 (1).pdf

86江西煤炭科技2023年第3 期汾源煤业大倾角煤层综放开采矿压规律研究孙华奇（霍州煤电集团汾源煤业公司，山西静乐0 3 510 0）摘要：根据汾源煤业的地质及开采条件，通过损伤理论分析和现场监测的研究手段，分析了大倾角煤层煤体损伤、支承压力和支架阻力的变化规律，现场观测确定了来压参数和特征，根据煤体应力监测和支架载荷监测结果，提出了开采建议，为类似条件的煤层开采提供借鉴。关键词：综放工作面；矿压规律；损伤理论；大倾角煤层；应力监测中图分类号：TD823.21+3;TD323Research on Mine Pressure Law of Fully-mechanized Caving Face with Large-inclined-angle Coal Seam(Fenyuan Coal Industry Co.,Huozhou Coal&Electricity Group Co.,Ltd.,Jingle,Shanxi 035100)Abstract:According to the geology and mining conditions of Fenyuan Coal Industry Co.,Ltd.,the paper analyzes the change lawof coal body damage,support pressure and support resistance of large-inclined-angle coal seam through the damage theoreticalanalysis,determines the weighting parameters and characteristics through on-site monitoring,and proposes the miningsuggestions according to the monitoring results of coal body stress and support load,providing a basis for the coal seam miningundersimilarconditions.Key words:fully-mechanized caving face;mine pressure law;damage theory;large-inclined-angle coal seam;stress monitoring我国大倾角煤层储量丰富，特殊地质环境导致煤层开采时矿压规律以及岩层活动规律具有不同的特殊性。对于大倾角工作面，煤层受到上覆岩层垂直方向以及倾斜方向分力的共同作用，造成岩层的移动方向并非垂直煤层，而是沿着重力方向运移1-3 ,当支架阻力小于切向分量时，会造成支架的倾倒现象4-5。从汾源煤业地质环境及开采条件出发，采用理论计算、现场监测等方法对大倾角煤层综放开采关键技术进行研究，为工作面安全回采提供了重要技术支撑。1工作面概况“宁武煤田大倾角煤层综放开采关键技术研究”是霍州煤电集团有限公司重要科技攻关计划项目，由霍州煤电集团汾源煤业有限公司和中煤科工开采研究院有限公司共同承担完成。研究目标5-10 1工作面长8 0 0 m，煤层平均厚度10.5m，平均倾角3 5，采用综合机械化放顶煤回采工艺，以1：2.7 5采放比开采煤层。开采煤层顶板为泥岩、泥质灰岩，底板为泥岩以及砂岩，属于典型的三软地质条件下。围绕大倾角煤层损伤开展研究，观测并分析了矿压规律，旨在为后续工作面安全回采文献标识码：Ain Fenyuan Coal Industry Co.,Ltd.Sun Huaqi提供参考。2大倾角煤层损伤理论分析经过漫长的沉积构造等运动，岩石内部存在形状各异的孔隙及裂隙，微观孔裂隙的差异是造成岩石宏观损伤的主因。岩石内部孔裂隙发育程度越高，宏观损伤程度越高。实际工程中，岩石受力变形往往经历压密变形、弹性变形、塑性变形以及破坏等过程,因此，可以根据损伤理论研究围岩变形状态。2.1煤体损伤分析巷道在开掘之前，煤层受上覆岩层的重力和围岩压力的共同作用，处于三轴受力状态。巷道开挖后，原岩应力遭到破坏，主应力大小及方向发生改变,因此假设垂向上受到的力为围岩压力，考虑到现场工作环境的复杂性，巷道支护作用下，实时围岩应力状态很难通过测试获取，定义煤体所受应力达到极限强度后，围岩压力开始持续降低，直至煤体达到破坏时，所受的围岩压力呈现线性降低的趋势。大倾角煤体受力如图1所示，分析煤体损失过程：（1)根据煤体单元的受力状况，定义当煤体受文章编号：10 0 6-2 57 2（2 0 2 3)0 3-0 0 8 6-0 42023年第3 期力小于极限强度时，煤体距离工作面煤壁的水平距离为n，当煤体受力达到极限强度后，煤体距离工作面煤壁的水平距离为m,此时,煤体受到的围岩压力为上覆岩体的压力，见式(1)：P=pgH+pgLsing式中:p为上覆岩层的密度，g/cm;g为重力单位，m/s;H为埋深,m;L为上端点0 起，煤体的倾向距离,m;0为煤层倾角，。(2)当煤体受力大于极限强度时，则围岩压力状态呈现线性降低的趋势，见式(2)：P=(pgH+pgLsin0)n/m图1大倾角煤体受力2.2工作面支承压力分布规律上覆岩层的运动规律直接影响支承压力的分布特征。利用微积分思想,将完整的煤岩结构划分成若干个微单元，具有线弹性性质的微单元宏观表现出的力学性质依旧为非线性性质。为了更真实地反映微单元受力变形的差异性，借助概率密度函数，有规律地统计微单元强度的分布规律，考虑到煤岩均为脆性材料，则材料的应变阈值为0，所以微单元强度分布函数见式(3)：fo-m(e)lexp-()m8080式中：f(e)为微单元破坏概率值，无量纲;m为形态模量；8.为尺度参数；8 为轴向应变。当围压为恒定值时，则可得到三轴受力状态下的损伤方程间：i=20:+Ee,iexp式中：E为弹性模量,MPa;oi为轴向应力,MPa；g:为围压,MPa。公式(4)中,水平最大主应力和最小主应力值相同，均用3 表示，且将煤层和顶板作为整体进行研究，在工作面推进过程中，随着载荷的增加，位72.8+0.253.15X108.1X10P=72.8+1X1510(0.09950.8475*)(0.0850.7)dl=130.48kN中段8.172.8+115108.1江西煤炭科技移量呈现增加的趋势，当载荷值达到峰值应力时，煤体前方支承压力开始降低，公式展现的规律与传统力学实验规律相同。以往研究表明，放顶煤开采过程中由于压力(1)的突然释放，导致煤体的位移量并非呈现线性变化规律，往往呈现幂函数关系变化，即：y=axb式中：y为垂向位移,m;x为距离工作面的距离,m;a、b 分别为拟合参数，无量纲。定义直接顶厚度为h,原岩位移量为8，则公(2)式可变化为：0:+(+)2h式中：围压(s)和弹性模量(E)分别取值7 MPa，1000MPa,8m、8 0 v a、b 分别为0.1、3、40.0 1、2;公式（6)反映出当工作面推进至3 0 m时，峰值应力达到最大，此后推进过程中，支承压力迅速降低,2 0 m范围内降低至0。2.3支架阻力分析煤体的破坏是顶板岩层变形压力作用的结果，同时顶煤体层作为中间介质将顶板的垂直变形压力传递给支架，因此支架作为采场矿压控制的主体，载荷P是由支架上方顶煤体重力W和顶板岩层促使顶煤体垂直变形的压力f,的总和，可计算得到支架工作阻力值，具体计算过程如下：P=W+fy(3)=nEBMD,D.mAdl式中：E为弹性模量,GPa;B为轴向应力,MPa;Ma为顶煤厚度,m;n为弹性模量弱化系数,D,为煤体垂向上损伤变量，Dm为煤体水平方向上损伤变量，为煤体垂向上变形量，控顶距用表示。Q3m/s02E(0.099 50.8475*)(0.090.71)dl=134.95kN上段(0.099 50.8475*)(0.0760.69)dl=125.64kN下段87.(5)03+8)exp-(h80根据实测的部分数据，式(8)可以简化为f,=(4)mEB(0.099 50.847 5/*4)(0.090.711)d l,M考虑到支架末端4m处为损伤值最大为1,因此，不同位置处D,D的取值不同，工作面上段、中段、下段的损伤值分别取0.0 12、0.0 1、0.0 0 8，因此得到支架工作阻力的值：(9)2E(6)(7)(8)88江西煤炭科技2023年第3 期根据煤体损伤分析以及部分实测数据，计算得到工作面上段、中段及下段的支架阻力分别为134.95kN、13 0.48 k N、12 5.6 4k N。从计算结果可以看出，对于大倾角煤层而言，同一层煤体，埋深越大，支架的阻力越低，现场需选择合理的支架满足安全生产的需求即可，矿井选择KJ-21型在线检测系统观察矿压规律。3矿压观测与分析矿压观测包括煤体应力监测和支架载荷监测两部分，如图2 所示。煤体应力监测点共布置两个，分别位于运输巷和回风巷，应力计之间间距5m，应力计和工作面的最小间距为2 5m，钻孔深度分别为3 m、5m、7 m 9m、11m。工作面支架阻力的监测共分为三组,工作面上段、中段、下段各一组，每组分别3 架支架，为了方便统计，分别编号1#、2#、3、4#、5#、6#、7#、8、9#。5-101工作面应力计食回风巷图2 5-10 1工作面矿压监测布置3.1煤体应力监测根据应力计监测结果，绘制回风巷以及运输巷应力曲线变化，以5m钻孔和9 m钻孔为例,得到的煤体应力监测曲线如图3 所示。对于回风巷而言,5m钻孔和9 m钻孔压力变化规律一致,整体呈现增长的趋势，在监测天数10 天、18 天时发生小范围的波动，监测天数达到3 5天后，压力增长速率下降，5m钻孔和9 m钻孔的最大压力值分别为8.7 2 MPa、9.8 6 M Pa；对于运输巷而言，相较9m钻孔而言，5m钻孔压力波动强，初始压力值为5.02MPa，最大值为9.0 1MPa，9 m 钻孔最小压力值为4.8 6 MPa，最大压力值为9.2 4MPa。现场观测结果显示，煤体应力在超前工作面3 0 m时逐渐增大，当工作面通过测点时，应力计监测数值发生明显有规律的变化，这一现象在回风巷和运输巷中相似。3.2支架载荷监测分析支架载荷的记录通过机械压力表直接测试读取获得，对支架进行为期3 0 天的监测，将读取的数据导人Excel电子表格中进行处理，分别绘制上段1支架、中段5支架、下段8 支架的载荷变化曲线，具体如图4中(a)、(b)、(c)所示。根据支架载荷值变化曲线，可以判断工作面上段的来压步距为6 10 m,来压载荷为45kN,来压前平均载荷值3 3 kN；工作面中段的来压步距为46 m，来压载荷43.5kN，来压前平均载荷值29.4kN；工作面下段的来压步距为56 m,来压载荷48 kN,来压前平均载荷值3 7.7 kN。根据监测结果，工作面上段和下段来压次数较少，来压强度大；中段来压次数多，但是来压强度小,因此可判断出工作面来压的简单规律：(1)工作面来压频次高，上段和下段来压强度大，中段来压强度小。运输巷(2)下段支架率先来压,可根据频次判断工作面来压特点。(3)工作面来压步距整体较小,平均6 m,按照支架工作面每天推进1.8 m计算，平均3.3 3 天发生一次周期来压。25m工作面支架阻力在额定工作阻力的50%80%之间为正常阻力区。本次监测结果显示，工作面支架的阻力均小于额定工作阻力的40%，属于低阻力区，证明放顶煤期间支架处于低阻力运行状态,顶煤松软是造成这一现象的主要原因。因此采用下行放顶煤工艺开采煤层时，需确保放煤量，根据工作面下段支架的压力数据，选择合理的放煤量,防止支架空顶以及倾斜现象的发生。4结论1)根据大倾角煤层损伤理论，确定了工作面上段、中段及下段支架工作阻力，根据计算结果，选择KJ-21在线监测系统观察支架载荷变化。2)综合分析煤体应力监测结果和支架载荷变化规律，工作面来压频次高，每推进6 m发生一次来压,周期来压期间需针对性进行加强支护。3)开采过程中，支架平均阻力整体处于低阻力区，放顶煤开采时需控制放煤量，避免产生空架现象。2023年第3 期108(edw)64出20051015监测天数5m钻孔（运输巷）108(edW)6420051015202530 3540 45监测天数图3煤体应力监测曲线江西煤炭科技5m钻孔（回风巷）(a)202530354045(c)(edw)200510 1520253035 40 45监测天数89.9m钻孔（回风巷）(b)12(edw)10864200510 1520 25 3035 40 45监测天数9m钻孔（运输巷）10864(d)1#支架6050(NI)403020100178180182184186188190192194196198200202参考文献：1】陈鹏.矿压观测仪器现场安装实践J.江西煤炭科技，2022,174(2):4-6.2吕谦.厚煤层放顶煤高效开采工艺参数的研究J.山西冶金,2 0 2 2,45(1)：148-149,3 2 6.3高丽军.大倾角综合放顶煤开采方法及管理J.北京：矿业装备，2 0 2 2(1)：13 8-13 9.4王文俊.大倾角松软厚煤层放顶煤开采覆岩移动规律研究J.长治：煤，2 0 2 1,3 0(2)：3 5-3 7.5李宇珂.厚煤层综采放顶煤开采工艺参数设置分析J.(a)(NI)4020100178180182184186188190192194 196198200202距开切眼距离（m）图4支架载荷变化曲线北京：当代化工研究，2 0 2 0(9)：13 5-13 6.6陈忠辉，傅宇方，唐春安.岩石破裂声发射过程的围压效应 武汉：岩石力学与工程学报，1997,16(1)：65-71.作者简介：孙华奇（197 8 一），男，河南周口人，2 0 13 年毕业于东北财经大学行政管理专业。收稿日期：2 0 2 2-0 8-2 85#支架6050(b)(N）403020100178180182184186188190192194196198200202距开切眼距离（m）编辑：彭呈喜8#支架6050(c)距开切眼距离（m）(上接8 5页）2李金奎，王浩.深部巷道复合顶板全锚索一次支护研究.北京：采矿与岩层控制工程学报,2 0 2 0,2(3)：14-2 2.3李南.木瓜煤矿回采巷道复合顶板协同支护技术应用J.江西煤炭科技,2 0 2 1(4)：44-45,48.4郑军峰.复合顶板强动压巷道全锚索围岩控制技术研究J.徐州：能源技术与管理，2 0 19,44(4)：10 0-10 2.5白杰，刘爱卿.复合顶板强烈动压巷道全锚索支护技术研究J.哈尔滨：煤炭技术，2 0 18,3 7(11)：3 0-3 2.6李昂，谷拴成，叶东生，等.软弱复合顶板煤层巷道锚索网梁耦合支护优化模拟J.抚顺：煤矿安全，2 0 14,45(10):187-190.7宋清生.三交河矿软弱复合顶板巷道支护技术应用J.江西煤炭科技,2 0 2 0(4)：111-114.8徐春宇，苏多云.大断面复合顶板回采巷道锚杆锚索网支护试验J.重庆：矿业安全与环保，2 0 0 4(4)：13-14.作者简介：刘晓龙（198 6 一），男，河北蔚县人，2 0 15年毕业于山西大同大学采矿工程专业，工程师，现从事煤炭开采工作。收稿日期：2 0 2 2-0 8-18编辑：黄敏辉