浅埋煤层开采矿压规律

浅埋煤层开采矿压规律浅埋煤层开采矿压规律 2015/12/31 采矿与安全工程学报杂志2015年第六期神东煤田地貌具有植被稀疏、地表水蚀严重、冲沟纵横、坡体产状变化大及地形支离破碎(高差多在40m以上)等特征。其中鄂尔多斯东北部高头窑矿区属高原半沙漠地貌特征，多侵蚀性丘陵。在起伏变化大的沟谷下浅埋煤层进行长壁开采，由于覆岩被侵蚀后不易形成稳定的砌体梁结构，在现场发生多起来压强度大、来压迅速的动载矿压灾害，易产生顶板切冒、煤壁片帮、支架压毁等，严重威胁工作面安全高效生产。国内外学者对浅埋煤层开采矿压显现规律、涌水溃沙等进行了大量的研究，为指导矿山安全高效开采及地表生态环境提供了有力支持。但以上研究多忽略了地形地貌对煤层开采的影响，而针对冲沟下煤层开采矿压显现规律的研究较少。王旭锋等以背沟开采为主要方式对基岩型和沙土质型采动坡体下煤层开采顶板结构进行了研究，建立了冲沟坡体下基本顶初次来压破断模型，并指出了冲沟深度、坡角对工作面矿压显现的影响特征。张志强等结合神东矿区活鸡兔井沟谷地形下煤层条件，通过对不同坡角、沟深模拟实验得出：沟谷坡角越大矿压显现越强烈，当坡角小于15时工作面矿压显现一般不明显；沟深越大工作面在沟谷上坡段动载矿压显现相应越强烈，反之，块体结构不易形成稳定的砌体梁结构，矿压显现强度不大。冲沟发育区域浅埋煤层采动覆岩结构特征对合理确定工作面液压支架工作阻力，防止发生顶板切冒、严重煤壁片帮等灾害具有重要影响。为此，本文结合高头窑矿区色连一号矿8101工作面地质条件，建立了冲沟下煤层开采覆岩结构模型，分析了覆岩运动规律及正常开采与冲沟下开采工作面矿压规律，并提出了针对性的顶板控制技术，实现了冲沟发育地貌下浅埋煤层安全高效开采。1现场地质条件色连一号矿8101综采工作面走向长度1780m，倾向长度280m。地面标高为13841442m，所采2-2上煤层底板标高为12501264m，煤层埋深约为170m。煤厚2.55.0m，平均4.0m，煤层倾角13。煤层综合柱状如图1所示。井田内地表起伏较大，有冲沟发育，其中淖沟深度约为38m。2冲沟下浅埋煤层开采覆岩结构特征2.1理论分析浅埋煤层开采长壁工作面周期来压顶板结构稳定性分析结果表明，工作面来压时基本顶岩块主要失稳方式为滑落失稳，工作面支架须提供合理的支护力才能防止基本顶结构的滑落失稳。支架与顶板结构共同维持顶板的稳定，支架处于“给定失稳载荷”状态。借鉴前人研究成果，可得到冲沟坡体下浅埋煤层开采工作面来压期间的“支架-围岩”作用关系模型。根据以往研究成果可知，背沟开采比向沟开采冲沟对支架支护阻力的影响更大，要求支护阻力更高，为此结合8101工作面地表冲沟条件建立背沟段浅埋煤层开采覆岩结构如图2所示。工作面周期来压时，按控制顶板结构滑落失稳考虑，其简化“支架-围岩”关系模型如图3所示。2.2数值模拟为研究不同采高时冲沟下煤层开采矿压特征和顶板变形情况，采用UDEC离散元程序建立了数值计算模型。模型长度为250m，高度为175m，冲沟深38m，当工作面向着冲沟推进时称为向沟开采，相应的背离冲沟推进时称为背沟开采。采高为4.0m时工作面不同开采段煤壁塑性区范围变化如图4所示。由图4可知：正常开采阶段煤壁塑性区宽度为1.4m左右，向沟段塑性区宽度1.85m，沟底段塑性区宽度1.6m，背沟段塑性区宽度最大达到2.1m。从塑性区发育特征可知，工作面过冲沟段塑性区发育宽度明显高于正常开采阶段，煤壁压力较大，矿压显现相对较为剧烈，且矿压显现剧烈程度呈现“背沟段向沟段沟底段正常开采段”的特征。针对采高3.2m和4.0m这2种开采条件进行了数值模拟，随工作面推进顶板压力和下沉量变化如图5，6所示。由图5，6可知：当采高由4.0m降低到3.2m时，工作面顶板压力和顶板下沉量均呈现出不同程度的减小。当工作面处于向沟段时，支架压力和顶板下沉量较正常开采阶段增大；随着工作面的推进，当处于沟底段时顶板压力和下沉量较向沟段减小，但仍然高于正常开采阶段；当工作面由沟底段进入背沟段时，顶板压力和下沉量逐渐增加。采高为3.2m时，顶板压力最大值为2.3MPa，顶板下沉量达到169mm；采高为4.0m时，顶板压力最大达到2.49MPa，下沉量为179mm。由此知降低采高后，工作面顶板压力和顶板下沉量均得到了减小，工作面过冲沟时通过合理控制采高有利于顶板安全管理。3现场实测分析在8101工作面开采期间，采用KJ653-F2矿用本安型顶板压力无线监测分站在线监测系统进行了实时矿压监测分析。图7为正常开采与冲沟下开采工作面85#液压支架工作阻力变化曲线。现场实测表明：背沟段顶板平均来压步距为13.88m，向沟段平均来压步距为17.93m，背沟段来压步距值小于向沟段。冲沟下开采支架平均工作阻力为22.1MPa，与正常开采相当。但是来压期间支架最大工作阻力较正常开采有较大增幅，超过支架额定工作阻力(43.8MPa)的远远多于正常开采段，其中背沟段出现12次、向沟段出现10次，而正常开采期间只出现过1次。冲沟下开采来压期间支架安全阀频繁开启，而且伴随支架上方顶板破断响声，支架工作阻力整体呈“背沟开采向沟开采沟底”分布，相应的顶板来压动载系数总体呈“背沟段(1.85)向沟段(1.71)沟底段(1.58)正常开采段(1.55)”的特征。在冲沟下开采期间未出现支架压死事故，表明考虑冲沟坡体运动载荷影响的液压支架工作阻力确定方法是合理的，为冲沟下浅埋煤层开采合理支架阻力计算提供了有益参考。4顶板控制技术1)加强矿压监测预报。工作面安装了KJ653-F2矿用本安型顶板压力无线监测分站在线监测系统，实时监测液压支架压力变化，准确预报了工作面在冲沟下开采时顶板来压规律，当来压剧烈时出现报警，为工作人员及时发现矿压异常并采取针对性措施提供了依据。2)局部降低采高。在冲沟下进行开采时，适当降低采高可减小覆岩的变形运动空间，有利于基本顶形成较为稳定的砌体梁结构，从而减轻覆岩破坏程度。此外，2-2上煤层上方的泥岩伪顶及中细粒砂岩直接顶强度低，而煤层相对硬度大韧度高，借鉴神东矿区实践经验，保留0.5m以上厚度的护顶煤，有利于顶板管理、提高煤质和工作面快速推进。因此，工作面“向沟开采沟底背沟开采”这一区间考虑采用降低采高为3.2m的措施，即从向沟开采边坡逐渐降低采高为3.2m，沟底保持采高3.2m，在背沟开采出背沟边坡10m采高逐渐升到4.0m。3)工作面快速推进。加快工作面推进速度在提高工作面单产的同时，对工作面围岩应力分布及其稳定性也具有重要影响。8101工作面配备了KTC101自动控制系统，配合ZY11000-25/50D型液压支架电液控制系统的左右邻架/隔架移架和成组自动控制、7LS6C型采煤机的记忆割煤和远程遥控，自动化控制装备为实现工作面快速推进提供了保障。4)带压移架和及时支护。为防止顶板发生冒漏和煤壁严重片帮问题，制定了相应的措施：在移架的过程中带压移架，确保对顶板保持一定的支撑力；移架过程中间隔移架，无法接顶的支架在移架过程中先移架，确保能够接顶；顶板冒落严重区域提前移架；确保移架后支架有足够的初撑力；煤壁片帮和顶板冒落严重区域移架后及时打开二级护帮板支护煤壁。在现场移架过程中，通过以上措施实现了顶板安全管理，保证了工作面的安全高效生产。5结论1)结合高头窑矿区冲沟地貌下浅埋煤层地质条件，为防止发生顶板切冒、支架压毁事故，建立了冲沟坡体下浅埋煤层开采周期来压期间的“支架-围岩”作用关系模型，并解算了背沟开采时合理支架工作阻力，确定配套ZY11000-25/50D型掩护式液压支架。2)采用数值模拟分析了4.0m和3.2m这2种采高时煤壁塑性区发育、顶板压力和下沉量变化规律，表明矿压显现剧烈程度呈现“背沟段向沟段沟底段正常开采段”的特征。3)现场矿压在线监测表明，受冲沟坡体运动载荷影响，与工作面正常开采时相比，顶板来压期间支架最大工作阻力及来压动载系数均有明显增大。4)为防止冲沟下浅埋煤层开采发生顶板切冒、支架压毁等事故，现场采用加强矿压监测预报、局部降低采高、工作面快速推进、带压移架和及时支护等措施，确保了冲沟发育地貌下浅埋煤层安全高效开采。