基金项目:国家自然科学基金(51674190); 陕西省社会发展科技攻关项目(2016SF-421)
通讯作者:黄庆享(1966-),男,新疆沙湾人,教授,博士生导师,E-mail:huangqx@xust.sn.cn
1.西安科技大学 能源学院,陕西 西安 710054; 2.神华神东煤炭集团公司,陕西 神木 719315
(College of Energy Science and Engineering,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China; 2.Shenhua Shendong Coal Group Corporation Limited,Shenmu 719315,China)
shallow coal seam group; gob; coal pillar influential area; roof weighting
DOI: 10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2017.0104
通过神东矿区榆家梁煤矿4-2,4-3和5-2近距离煤层群分层同采的实测对比,分析了近浅埋煤层群开采下煤层过采空区和煤柱的矿压显现规律,以及不同面宽、不同采高工作面的矿压显现变化规律。研究表明,下煤层开采过上煤层采空区时,工作面来压步距变短,强度平均增大29.0%.下煤层工作面过上煤层煤柱时的矿压影响最大,煤柱影响区的支架载荷增幅达41.4%.相同面宽条件下,随着采高的增大,工作面支架载荷增大。在工作面宽度为240~360 m范围内,宽度变化对矿压影响不明显。
By comparing site measurement of separate seam mining of 4-2,4-3 and 5-2 coal seams in the close distance coal seam group of Yujialiang coal mine in Shendong mining area,the roof weighting of lower coal seam mining under upper coal seam gob and coal pillar,as well as the effect of different face width and different mining height in shallow coal seam group were analyzed.The result shows that the roof weighting step becomes shorter and the weighting strength becomes stronger by 29.0%.The pressure of lower mining face under mined out area of upper coal seam is maximum.The increasing range of support pressure under coal pillar influential area reaches 41.4%.Under the condition of the same face width,the support load increases with the increase of mining height.The influence of face width within 240~360 m on roof pressure is not obvious.
中国陕晋蒙煤炭资源丰富,且赋存大量埋深在200 m内的浅部煤田,如神府-东胜和大同煤田等。神府-东胜煤田是我国重要的大型浅埋煤炭能源基地,探明的储量占全国探明储量的1/3,区内的千万吨大型矿井均含有多层距离较近的可采煤层[1]。近浅埋煤层工作面的矿压不仅没有因埋深浅而减小,反而存在异常强烈的矿压显现,出现地表台阶下沉,工作面冒顶等问题[2]。目前浅埋单一煤层开采的岩层控制理论,已经得到系统研究[3-4]。对浅埋煤层开采覆岩运动和顶板动态载荷传递[5-6]、大采高工作面岩层控制[7-8]、保水开采岩层控制[9-10]等进行了较为系统深入的研究。
近年来,神府矿区内大型矿井已陆续进入第2主采煤层的开采,有的矿井选择多煤层分层同采。自2007年以来,神东矿区已累计发生各类压架事故高达十多起,直接经济损失高达3亿多元[11],见表1.浅埋近距离煤层开采逐渐成为新的研究热点[12-13],其矿压规律和机理还有待深入研究。
在浅埋近距离煤层群分层同采过程中,下煤层在开采前顶板的完整性受上煤层开采扰动而出现破碎顶板或未压实顶板,上位煤层开采后未回收的煤柱会在底板形成集中应力,导致下煤层开采的顶板结构和应力场发生变化,使得下煤层开采条件复杂化。因此,研究煤层群开采下位煤层的矿山压力显现规律成为大型矿区安全高效开采亟待解决的问题。
文中基于神东矿区榆家梁煤矿浅埋多煤层开采实践,通过对工作面过集中煤柱区、上覆采空区、不同面宽和不同采高情况下的工作面矿压实测数据进行分析,揭示浅埋近距离煤层群开采的矿压显现规律,为工作面顶板控制提供科学依据。
榆家梁煤矿核定生产能力1 630万t/a,倾角13°,构造简单。采用长壁后退式一次采全高采煤法,全部垮落法处理顶板。该矿含可采煤层4层,分别为4-2,4-3,4-4及5-2煤层,如图1所示。目前 4-2,4-3和5-2煤层3层煤同时开采。
4-2煤层厚度2.02~6.44 m,平均3.68 m.煤层顶板为泥岩或粉砂岩,底板为泥质粉砂岩,该煤层距4-3煤21 m左右。工作面采用ZY-12000/20/40D掩护式支架。
4-3煤层厚度为1.70~2.08 m,平均1.90 m.煤层厚度较薄,底板和煤壁较软。该煤层距5-2煤50 m左右,且煤层上覆顶板存在煤柱和采空区。工作面支架为ZY7600/1.2 /2.4掩护式支架。
5-2煤层厚度3.2~4.2 m,平均3.8 m.顶板为泥岩,底板为粉砂岩,泥质胶结。工作面选用支架有郑煤ZY9000/2.4/5.0和DBT生产的ZY8638/2.4/5.0.掩护式支架。
在煤层群开采时会存在不同面宽、不同采高的工作面,以及联合开采等情况。下面根据榆家梁煤矿不同工作面的矿压实测数据,分析下位煤层开采过程过上覆采空区和集中煤柱区情况下的矿压显现规律。
当下位煤层处于上覆采空区时,矿压显现主要受煤层间距的影响,一般可分为3种情况
1)极近距离煤层群,一般指层间距小于10 m或层间岩层很薄、难以形成老顶铰接结构的煤层,来压步距受上煤层覆岩层关键层破断距的影响明显;
2)近距离煤层群,一般指层间距小于30 m或层间岩层只有一组关键层的煤层,来压步距为煤层间岩组关键层的破断距;
3)远距离煤层,一般指层间距大于30 m或间隔岩层具有2组以上关键层的煤层,煤层间相互影响较小,等效于单一煤层的采动规律。
43302-1工作面长度354.8 m,推进长度1 749.7 m,煤层厚度1.55~1.90 m,平均厚度1.72 m,回采工作面经过42201,42202和42224工作面采空塌陷区,如图2部分所示。该煤层距4-2煤18~22 m,属浅埋近距离煤层群开采,工作面选用ZY7600/1.2/2.4掩护式液压支架,支架额定工作阻力为7 600 kN/架。
43302-1工作面初采期间的来压规律如图3所示,老顶初次来压时工作面中后部支架来压明显(图3(b)),压力逐步向两侧转移。工作面周期来压步距为6 m,2次小周期一次大周期,存在大小周期来压。
由于4-2和4-3煤层间距较小,平均为21 m,上覆岩层仅存在较薄的单一关键层,工作面周期来压期间顶板有淋水、局部漏顶等现象。实测发现,工作面周期来压时整个工作面顶板来压,大部分支架载荷超过额定工作阻力,最大载荷超过8 444 kN/架,是额定工作阻力的1.1倍。来压步距变短,来压强度增大是矿压的主要特点。
开采下煤层时,受上煤层开采遗留煤柱的影响,下煤层工作面推进通过上覆两侧采空煤柱和一侧采空煤柱过程中,发生了多起压架事故[12-13]。榆家梁煤矿43309综采工作面长度320.76 m,推进长度1 865.6 m,煤层平均厚度1.89 m,设计采高2.1 m.43309综采工作面机尾段处于42308和423092侧采空区煤柱下的应力集中区(图4)。
在工作面过上煤层区段煤柱时,煤层间距的影响和合理的上下煤柱错距(巷道布置)为主要影响因素。43309工作面初采段为原始地层,末采段上部13~17 m为42208和42209工作面遗留集中煤柱。43309工作面初采和末采段200 m内的矿压规律对比分析如图5所示,图中字母C和M分别表示初采和末采,后面的数字表示支架号(自运输顺槽至回风顺槽依次编号)。30#支架位于工作面上测部,90#支架位于工作面中部,160#支架为工作面下部且末采时位于煤柱下。
通过对初采期间(自开切眼200 m内为原始地层)和末采期间(距停产线200 m内)的同一支架工作阻力对比分析可知回采班上部30#支架载荷增幅27.6%,90#支架载荷增幅30.0%,下部煤柱区160#支架载荷增幅最大,为41.4%.检修班工作面上部30#支架载荷增幅27.7%,中部90#支架增幅7.6%,下部煤柱影响区160#支架载荷增幅也高达39.4%.总体上,有如下特点
1)在受上煤层开采影响的区域(末采段为例),工作面支架载荷普遍增大,总平均增幅29.0%;
2)回采班平均增幅33.0%,检修班支架载荷增幅平均24.9%,回采班增幅更显著;
3)煤柱影响区的液压支架的工作阻力增幅最大,平均增幅达到40.4%.其中,检修班增幅为39.4%,回采班增幅高达41.4%,极易出现压架的可能。
因此,在工作面支架选型布置时,应当在上部煤柱影响区的选择支护能力较强的液压支架,保证工作面支护安全。
在煤层群分层同采的情况下,会存在不同采高、不同面宽的工作面。通过对不同工作面宽度和采高的工作面矿压规律实测,掌握不同工作面宽度和采高对矿压显现规律的影响,指导工作面顶板管理和支护。
5-2煤工作面回采过程中经常在4-3或4-2煤采空区下回采,由于层间距较大,4-3煤煤层厚度较薄为1.9 m,对5-2煤层工作面矿压影响较小,见表2.在采高相同的情况下,随着工作面宽度由214 m增大到360 m,来压步距和动载系数略有增加,但变化不大。面宽314 m时来压步距稍大,说明一定范围内工作面宽度的影响不大。
不同煤层采高,相同面宽时的工作面矿压显现规律如表3所示。可见,42202和52105工作面在面宽基本相同而采高增大情况下,工作面周期来压步距不变,动载系数增大。43309工作面顶板上有集中煤柱区的影响,虽然采高小,但周期来压动载系数较大。
综上所述,在近距离煤层群的开采中,顶板的完整性和是否存在煤柱,是影响工作面矿压显现强度的主要因素。在榆家梁煤矿条件下,2~4 m采高和200~360 m工作面宽度,对矿压规律影响不大。
1)浅埋煤层群的上煤层开采对下煤层工作面矿压显现具有明显影响,下煤层开采时的支架选型必须考虑上煤层采空区和煤柱的影响;
2)在近距离条件下,下煤层工作面处于上煤层采空区时,工作面周期来压时整个工作面顶板来压,来压步距变短,存在大小周期来压,来压强度增大,平均最大幅度达到29.0%;
3)在上煤层煤柱影响区,支架载荷增幅最大,可达41.4%.工作面支架选型时,应该在煤柱影响区选择阻力较大的支架,确保工作面安全和经济支护;
4)工作面采高增大矿压显现增大; 一定范围内(240~360 m),工作面宽度变化对来压规律影响不明显。