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巨厚砂岩顶板“三带”分布规律研究

时间:2016-07-04来源: 作者: 点击: 138次


摘要:针对新集二矿1煤层综采工作面顶板为巨厚砂岩的特点,通过理论计算和现场实测,分析综采工作面回采期间三带分布参数,研究巨厚砂岩对顶板破断规律的影响,以利于工作面回采期间的瓦斯治理,为类似条件下的综采工作面瓦斯治理提供参考。

关键词综采工作面;巨厚砂岩;“三带”分布;钻孔摄像

Research on Distribution Law and Engineering Practice of "Three Zones" in Thick Sandstone Roof

Li liang shan

(SDIC Jincheng Energy limited, Jincheng, Shanxi 048026,China )

Abstract: Aim to the characteristics of the thick sandstone roof by the fully mechanized coal face in the first coal seam of the second of xinji coal mine. Through the theoretical calculation and field measurement, to analysis the distribution parameters of "three zones" of fully mechanized mining face, and to study the breaking law of the thick sandstone roof. According to the theory calculate ,to facilitate the gas control during the mining face, for the similar coal mining under the condition has a certain reference significance.

Keyword: fully mechanized coal facethick sandstone roofdistribution of the "three zonesborehole camera

0前言

新集二矿1煤组作为矿井主采煤层(1煤组由1煤、1煤二层煤组成),其具有特低硫、特低磷、富焦油及中高发热量的优良煤质,且地质储量相对稳定。新集二矿210108综采工作面为新集矿区1煤组1煤层首采工作面,其上覆巨厚砂岩顶板是区别于其它煤层的最显著特征,由于顶板岩性及结构的不同,巨厚砂岩顶板的“三带”参数及其分布和其他煤层条件下的顶板“三带”参数及分布有着明显不同。为合理确定1煤综采工作面回采期间的三带参数及其分布规律,为1煤其它类似条件下的工作面治理瓦斯提供依据,需开展煤层顶板厚度较大(岩层厚度为30m)、岩性为坚硬砂岩条件下的采空区覆岩“三带”规律研究,分析新集二矿1煤综采工作面巨厚砂岩覆岩的“三带”分布特征,确保工作面瓦斯得到较好的治理效果。

1 工作面概况

1.1工程地质

210108综采工作面为新集矿区1煤组首采工作面,工作面主要回采1煤和1煤。1煤、1煤总体倾向为NNE的单斜构造,煤层倾角一般在116°之间,平均倾角8°左右。由于该工作面东部距阜凤下夹片断层较近,受阜凤下夹片断层影响,断层、褶曲及裂隙较发育,根据风巷、机巷及-650m东翼1煤截水巷实收地质资料分析,各巷道所揭露断层主要分布在210108切眼一侧的400m范围内,且主要以正断层为主。

1.2 生产技术条件

210108综采工作面所处煤层为1煤,其可采走向长度1316.0m,倾斜长度149.0m。工作面标高为-643.1-591.4m1煤厚度在06.0m,平均煤厚4.2m1煤厚度在0.15.9m,平均煤厚3.4m;工作面采1煤时,平均采高为4.2m,工作面采1煤时,平均采高为3.4m210108综采工作面采用走向长壁后退式全部垮落采煤法,工作面布置ZZ9200/24/50型液压支架102台。

2 巨厚砂岩顶板“三带”高度经验估算

经过长期积累和总结得出“三带”计算公式,虽不能较为准确的计算出“三带”高度,但仍能对煤矿开采覆岩“三带”分析具有指导意义,可以初步估算出其高度范围。目前,与巨厚砂岩覆岩条件相适用的工程经验估算公式主要有3种,按此3种经验计算公式对采空区覆岩“三带”进行估算。

2.1 按上覆岩层岩性计算

邸有鹏,孟凡杰等人按上覆岩层岩性不同,把岩性分为坚硬、中硬、软弱、极软四种状态[1],分别进行分析得出工程经验。210108工作面1煤顶板为巨厚砂岩,顶板较坚硬。冒落带应按如下公式计算:

H=100M /(2.1M +16 )±2.5     2.1

式中:——采煤面高度,m

裂隙带应分别按以下公式计算:

H=100M /(1.2M +2)±8.9       2.2

210108工作面高度M=4.2m,由此可得冒落带高度Hm=16.9±2.5m;裂隙带分别为Hi=59.7±8.9m

2.2按覆岩移动破坏规律计算

李瑞琪、赵世成根据覆岩的移动和破坏规律得出经验公式为[2]

                    2.3

                       2.4

式中:α——煤层倾角,取α=8°——碎胀系数,取k=1.25bc——岩性系数,对于坚硬岩层,取b=0.009c=0.018

按此公式计算可得:Hm=16.8mHi=75.3m

2.3按工程经验公式计算

由于覆岩岩性、覆岩组合结构、采煤高度及采煤方法等对覆岩“三带”规律特征都将产生影响,必须根据工程实际,分析覆岩“三带”规律。李瑞琪通过工程经验总结得出了煤层倾角在054°时坚硬岩石经验公式为[3]

Hm =4.0~5.0M                 2.5

Hl = 22.2M+11.2                   2.6

按此公式计算可得:Hm =16.8~21.0mHi=83.5~87.7m

根据以上三个经验估算公式计算分析可得,210108工作面采空区覆岩冒落带范围为:Hm =16.0~21.0m,裂隙带高度范围为Hl =50.0~80.0m

3 巨厚砂岩顶板变形破坏工程实测

为验证理论计算结果的合理性,同时根据工程实测对覆岩冒落带及裂隙带高度进行估算。在210108工作面顶板布置多点位移计,对距采煤面不同距离前方煤层顶板及后方采空区覆岩垂直位移进行观测,并采用钻孔摄像仪对工作面采空区覆岩的“三带”高度分布进行观测。

3.1多点位移计观测

3.1.1观测点布置

由-550m~-450m东翼新回风巷垂直向下钻孔到1煤顶板,在钻孔内布置多点位移计测量距煤层顶板不同距离处测点垂直位移。该巷道和210108工作面平面位置关系以及钻孔在巷道中位置如图1所示,沿采煤工作面倾向布置,钻孔距工作面一侧210108机巷的距离约38.0m。钻孔中多点位移计测点布置如图2所示,测点1、测点2及测点3-550m~-450m东翼新回风巷底板垂直距离分别为30.0m25.0m20.0m,距工作面顶板垂直距离分别为55.0m60.0m65.0m

东翼新回风巷与210108工作面平面位置示意图

钻孔中多点位移计测点布置示意图

3.1.2实测结果及分析

1、现场实测结果

通过每隔1天对现场布置的三个测点垂直位移值数据进行了自动记录,以测点位于采煤面前方时距采煤面距离为正,随采煤面推进,测点位于采煤面后方时距采煤面距离为负,根据记录数据得出距采煤面不同距离处各测点垂直位移如图3所示。

距采煤面不同距离处各测点垂直位移实测结果

2、实测结果分析

1)当测点位于工作面前方距离超过60m时,垂直位移很小,近于不产生移动;随着工作面的推进,当测点距工作面距离减小至50m左右时,测点垂直位移开始增大,随工作面接近测点位置,垂直位移速度增长明显,当工作面推进到测点位置时,速度增长达到最大。

2)随着工作面的继续推进,当测点位于工作面后方采空区顶板中时,随着距工作面距离的增加,测点垂直位移不断增大,但速度增长趋于变缓。

3.2钻孔摄像观测

在距210108工作面采空区净垛5m的已掘进的210106工作面机巷,从该巷道顶板由下向上向已冒落的210108工作面采空区钻倾斜钻孔进行观测,对采空区已形成的“三带”高度分布进行研究,观测钻孔布置参数如图4所示。

设计1#钻孔主要用于观测采空区顶板覆岩裂隙带分布,根据理论计算得出的冒落带高度21m,明显裂隙带高度为50m。为确保1#孔进入采空区冒落带且能观测到明显裂隙带全部范围,取该孔与水平方向夹角为75°,孔深为55m。设计2#钻孔主要用于观测采空区冒落带范围,根据理论计算得出的沿采空区倾向冒落带分布特征,为观测到冒落带全部,取该孔与水平方向夹角为60º,孔深为40m

1#孔摄像结果表明,钻孔深度在10m位置处岩石较为完整,钻孔深度在15m位置处岩石已产生较为明显裂隙,说明工作面采动会引起邻近煤层顶板明显破坏,破坏范围应在2.0-3.5m;钻孔深度在20m时邻近煤层顶板已产生破坏,钻孔深度在25m位置时岩石裂隙明显,钻孔深度在25-35m范围采空区顶板裂隙明显,钻孔深度超过40m时仅有微裂隙产生,表明明显裂隙带高度约为40m

2#孔摄像结果表明,钻孔深度在4m位置时岩石较为完整,钻孔深度在8m位置时岩石已产生较为明显裂隙。与1#孔分析结果一致,工作面采动会引起邻近煤层顶板破坏,破坏范围应在(2-4m之间。钻孔深度在15m位置时采空区顶板并未明显冒落,但裂隙明显;钻孔深度在20m位置时采空区顶板已产生明显冒落。说明沿采空区倾向,距采空区两侧超过一定距离,顶板覆岩才产生冒落,该位置距采空区两侧距离应不超过4.0m。钻孔深度在20-24m范围时采空区顶板覆岩产生明显冒落,钻孔深度在25-40m范围时采空区顶板覆岩未产生明显冒落,但裂隙明显。说明采空区冒落带高度约为21m

4 结论

通过对新集二矿1210108工作面巨厚砂岩顶板回采后“三带”分布状况进行分析研究,得出以下结论:

1210108工作面冒落带高度范围为Hm=21.0-23.0m,明显裂隙带高度Hlm=44.0m,裂隙带高度范围为Hl =84.0-88.0m。冒落带、明显裂隙带、裂隙带与采高关系为:Hm =5.06.0MHlm=10.5MHl =21.022.0M

2)钻孔摄像观测得出210108工作面采空区冒落带高度约为21m,明显裂隙带高度大约为40m

参考文献

[1] 高宏,杨宏伟,安学民.古书院矿坚硬顶板“三带”发育规律研究[J].煤炭工程,2013,45(6):80-82.

[2] 李德洋,丁维国,朱耀武.阳泉五矿综放开采“三带”分布的测定[J].煤矿安全,2007,38(11) :16-17.

[3] 李瑞琪.关于杜儿坪矿“三带”的分析研究[J].山西焦煤科技,2011,35(12) :40-42.

[4] 钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.

[5] 刘保卫.采场上覆岩层”三带”高度与岩性的关系[J].煤炭技术,2009,28(8) :56-57.

[6] 张军,王建鹏.采动覆岩”三带”高度相似模拟及实证研究[J].采矿与安全工程学报,2014,31(2) :249-254.

 

作者:李良山(1984- ),男,安徽亳州人,工程硕士,工程师,现任国投晋城能源有限公司生产技术部经理,主要从事煤矿现场生产技术管理工作。

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