確保底板采區(qū)下山免受采動(dòng)破壞的工作面終采線劃定

何炳銀

(安徽省煤炭科學(xué)研究院,安徽省合肥市,230001)

確保底板采區(qū)下山免受采動(dòng)破壞的工作面終采線劃定

何炳銀

(安徽省煤炭科學(xué)研究院,安徽省合肥市,230001)

提出采區(qū)底板下山免受采動(dòng)破壞的工作面終采線位置劃定方法,并用該方法確定了某綜采面終采線實(shí)際位置,使其采區(qū)底板下山免受采動(dòng)破壞。

采區(qū)下山 底板巷道 采動(dòng)破壞 工作面終采線

工作面終采線位置的合理劃定,具有提高煤炭資源回收率和避免底板采區(qū)上、下山遭受采動(dòng)影響破壞的雙重意義。合理確定工作面終采線的位置,就是要在盡可能延長(zhǎng)工作面走向長(zhǎng)度、多回收煤炭的同時(shí),避免底板下山遭受嚴(yán)重采動(dòng)影響和破壞。本文就某礦1541(3)綜放面回采對(duì)于底板下山的采動(dòng)影響進(jìn)行了觀測(cè)和研究,提出可使下山免受采動(dòng)嚴(yán)重影響的回采面終采線劃定方法,合理劃定了1541(3)綜放面終采線的具體位置。

1 工作面及采區(qū)下山的地質(zhì)與采礦條件

1541(3)工作面采用綜采放頂煤工藝,工作面走向長(zhǎng) 1580 m,傾斜長(zhǎng) 200 m,平均采深510 m。在工作面終采線附近,工作面走向與采區(qū)下山斜交60°左右。工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。煤層頂部以片鱗狀煤為主,中部以片塊狀煤為主,底部以粉末狀煤為主。大部分地段煤層底部含1～2層、厚0.05～0.5 m的泥巖或炭質(zhì)泥巖夾矸。煤層厚2.7～5.5 m,平均 4.5 m。煤層傾角 3～10°,平均 7°。

采區(qū)下山位于煤層底板砂質(zhì)泥巖中,距煤層底板41 m。在這41 m巖層中,主要是砂質(zhì)泥巖和砂巖。其中,砂質(zhì)泥巖24.5 m,砂巖12 m。下山掘進(jìn)斷面為直墻半圓形,掘進(jìn)高度3.55 m,掘進(jìn)寬度4.70 m,掘進(jìn)斷面積14.31 m2。巷道采用錨噴支護(hù),錨桿規(guī)格為?20mm×2200mm,錨桿間、排距1000mm×500mm,在巷道頂板中部沿巷道縱向每隔2 m打1根錨索,錨索規(guī)格為 ?15.24mm×6300mm。巷道表面噴射150mm厚混凝土。

2 根據(jù)采動(dòng)影響觀測(cè)結(jié)果劃定工作面終采線的方法

2.1 底板下山采動(dòng)影響觀測(cè)

觀測(cè)研究所涉及的巷道包括:1541(3)綜采面下運(yùn)輸巷道、采區(qū)軌道下山與工作面相連的軌道斜巷、煤層底板運(yùn)輸大巷。觀測(cè)項(xiàng)目包括:巷道表面位移、巷道圍巖深部位移、巷道支架載荷、巷道圍巖采動(dòng)附加應(yīng)力。觀測(cè)自工作面距底板采區(qū)下山200 m處開(kāi)始,直到工作面停采后1年結(jié)束,觀測(cè)站布置見(jiàn)圖1。

圖1 底板下山采動(dòng)影響觀測(cè)布置圖

2.2 幾點(diǎn)假設(shè)與說(shuō)明

為便于分析工作面采動(dòng)支承壓力或采動(dòng)影響,假設(shè):

在底板巖層中的傳播與分布規(guī)律在工作面走向與傾向被看作是相同的;

在底板巖層中的傳播與分布規(guī)律在工作面推進(jìn)過(guò)程中和停采后被看作是相同的;

在底板巖層中的傳播角在所觀測(cè)和所研究的巖層范圍內(nèi)被看作是不變的;

在底板巖層中的傳播與分布的分析和研究以巷道的圍巖變形觀測(cè)結(jié)果為主要依據(jù),以巷道壓力及其它觀測(cè)數(shù)據(jù)為參考依據(jù)。

2.3 劃定工作面終采線位置的方法與步驟

(1)根據(jù)回采煤層巷道的礦壓顯現(xiàn)對(duì)本煤層巷道中的超前支承壓力影響區(qū)進(jìn)行劃分,并將其劃分為若干個(gè)區(qū)域;

(2)根據(jù)煤層底板巷道的圍巖變形與圍巖應(yīng)力對(duì)底板巷道中的采動(dòng)應(yīng)力影響區(qū)進(jìn)行劃分,也可將其劃分為若干個(gè)區(qū)域;

(3)將煤層巷道與底板巷道所劃分的采動(dòng)影響的相對(duì)應(yīng)區(qū)域相連,求得煤層底板巖層中采動(dòng)應(yīng)力或采動(dòng)影響的傳播角;

(4)假設(shè)若干個(gè)終采線位置,以該終采線上到所需保護(hù)巷道的最短直線距離處為圓心,并以該終采線到所需保護(hù)的底板巷道的最短水平距離(即煤柱留設(shè)寬度)為半徑畫圓;

(5)在平面圖上,作聯(lián)線連接圓心到所需保護(hù)巷道的最短水平距離處(圓周上),并沿著該連線方向作一鉛垂剖面;

(6)在底板巖層內(nèi)劃分出采動(dòng)影響界面線。在鉛垂剖面與上述聯(lián)線所在的水平面的交線上,量取一段等于煤層巷道內(nèi)受到工作面超前支承壓力明顯影響的超前距離,在此超前距離處按照工作面回采過(guò)程中超前支承壓力在底板巖層中的傳播角向底板方向劃一直線,此直線即是底板巖層內(nèi)的采動(dòng)影響界面線。位于該界面線工作面?zhèn)鹊膮^(qū)域?qū)儆诓蓜?dòng)影響區(qū),位于該直線上山側(cè)的區(qū)域?qū)儆诓蓜?dòng)影響以外區(qū)域;

(7)確定終采線位置。根據(jù)所劃出的若干個(gè)采動(dòng)影響界面線,當(dāng)所需保護(hù)的巷道位于采動(dòng)影響界面線以內(nèi),則巷道將要受到工作面采動(dòng)的影響。只有當(dāng)所需保護(hù)的巷道位于采動(dòng)影響界面線以外,巷道才可免受或少受采動(dòng)影響。

3 根據(jù)觀測(cè)資料確定終采線位置實(shí)例

3.1 煤層巷道內(nèi)工作面超前支承壓力影響區(qū)域的劃分

根據(jù)1541(3)運(yùn)輸巷頂?shù)装逑鄬?duì)移近觀測(cè),煤層巷道內(nèi)超前支承壓力影響區(qū)域劃分為5個(gè)區(qū)域,分別是無(wú)影響區(qū)、明顯影響區(qū)、顯著影響區(qū)、嚴(yán)重影響區(qū)、劇烈影響區(qū),各影響區(qū)相對(duì)應(yīng)的距工作面煤壁線的距離分別為大于或等于140 m、140～100 m、100～60 m、60～20 m、20～0 m,各影響區(qū)域相對(duì)應(yīng)的巷道變形速度分別為小于1mm/d、大或等于1mm/d、大于或等于10mm/d、大于或等于40mm/d、大于或等于100mm/d。

為便于比較,將煤層巷道圍巖深部采動(dòng)變形亦作相應(yīng)的區(qū)域劃分。巷道圍巖深部采動(dòng)變形區(qū)域劃分與上述劃分基本相同,分別為無(wú)影響區(qū)、明顯影響區(qū)、顯著影響區(qū)、嚴(yán)重影響區(qū)、降壓區(qū)。各影響區(qū)相對(duì)應(yīng)的距工作面煤壁線的距離分別為大于或等于120 m、120～80 m、80～50 m、50～5 m、5～0 m,除降壓區(qū)以外的各影響區(qū)域相對(duì)應(yīng)的圍巖內(nèi)部變形速度分別為小于1mm/d、大或等于1mm/d、5～10mm/d、10～40mm/d。

根據(jù)在工作面超前支承壓力作用下所增長(zhǎng)的巷道頂板壓力也可對(duì)巷道超前影響區(qū)域進(jìn)行與上述類似的劃分,各個(gè)影響區(qū)相對(duì)應(yīng)的距工作面煤壁線的距離分別為大于或等于 80 m、80～60 m、60～40 m、40～6 m、6～0 m,除降壓區(qū)以外的各影響區(qū)域相對(duì)應(yīng)的頂板錨索載荷增長(zhǎng)速度分別為0、小于或等于5 kN/d、5～20 kN/d、大于或等于20 kN/d。

根據(jù)3個(gè)礦壓指標(biāo)對(duì)工作面巷道內(nèi)超前支承壓力影響區(qū)的劃分結(jié)果基本相同,只是巷道變形量更加敏感些,影響的范圍更大些。據(jù)此,劃定工作面回采巷道內(nèi)的明顯影響區(qū)為距工作面煤壁線100 m,見(jiàn)表1～表3。

表1 巷道采動(dòng)變形區(qū)域劃分表

表2 巷道采動(dòng)圍巖壓力增加區(qū)域劃分表

表3 巷道圍巖深部采動(dòng)變形區(qū)域劃分表

3.2 底板巖層內(nèi)采動(dòng)應(yīng)力影響傳播區(qū)域的劃分

與工作面回采巷道類似,底板巖層內(nèi)采動(dòng)應(yīng)力的傳播和影響區(qū)域劃分主要根據(jù)底板運(yùn)輸大巷頂?shù)装逑鄬?duì)移近量觀測(cè)數(shù)據(jù),并參考其它觀測(cè)資料。根據(jù)回采煤層底板巷道內(nèi)的頂?shù)装逑鄬?duì)移近觀測(cè),底板運(yùn)輸大巷內(nèi)超前支承壓力影響區(qū)域劃分為5個(gè)區(qū)域,分別是無(wú)影響區(qū)、明顯影響區(qū)、顯著影響區(qū)、嚴(yán)重影響區(qū)、卸壓區(qū),各影響區(qū)相對(duì)應(yīng)的距工作面煤壁線的水平距離分別為大于或等于120 m、120～80 m、80～40 m、40～10 m、10～2 m,除卸壓區(qū)以外的各影響區(qū)域相對(duì)應(yīng)的巷道變形速度分別為0、大于或等于0.5mm/d、大于或等于2mm/d、大于或等于5mm/d。

底板運(yùn)輸大巷圍巖深部采動(dòng)變形亦作相應(yīng)的區(qū)域劃分。巷道圍巖深部采動(dòng)變形區(qū)域亦劃分為5個(gè)區(qū)域,并與巷道表面變形的區(qū)域劃分相同,各個(gè)影響區(qū)相對(duì)應(yīng)的距工作面煤壁線的水平距離分別為大于或等于 100 m、100～60 m、60～40 m、40～12 m、12～0 m,各影響區(qū)域相對(duì)應(yīng)的圍巖內(nèi)部變形速度分別為 0、大于或等于 0.5mm/d、1～3mm/d、3～10mm/d、0mm/d。

工作面采動(dòng)支承壓力在底板巖層內(nèi)的傳播和分布,使底板巖層巷道圍巖內(nèi)的應(yīng)力水平提高。根據(jù)圍巖應(yīng)力的增長(zhǎng)將底板運(yùn)輸大巷受到工作面采動(dòng)影響的超前影響范圍劃分為4個(gè)區(qū):無(wú)影響區(qū)、明顯影響區(qū)、嚴(yán)重影響區(qū)和穩(wěn)定區(qū),各個(gè)影響區(qū)相對(duì)應(yīng)的距工作面煤壁線的距離分別為大于或等于100 m、100～50 m、50～20 m、20～12 m,各影響區(qū)域相對(duì)應(yīng)的圍巖應(yīng)力增長(zhǎng)速度分別為0、小于或等于 0.2 MPa/d、0.8 MPa/d、小于或等于0.05 MPa/d。

根據(jù)3個(gè)礦壓指標(biāo)對(duì)采動(dòng)支承壓力在底板巖層內(nèi)的傳播和分布范圍劃分的結(jié)果,與煤層內(nèi)巷道支承壓力超前影響區(qū)劃分類似,只是巷道變形量更加敏感些,影響的范圍更大些。據(jù)此,劃定煤層回采時(shí)底板運(yùn)輸大巷內(nèi)的采動(dòng)影響的明顯影響區(qū)為距工作面煤壁線水平距離80 m,見(jiàn)表1和圖2。

3.3 底板巖層內(nèi)采動(dòng)應(yīng)力傳播角確定

由于煤層的采出,打破了地層內(nèi)本來(lái)平衡的應(yīng)力關(guān)系,會(huì)在采場(chǎng)圍巖內(nèi)產(chǎn)生集中應(yīng)力。如果將煤層底板巖層看成是半無(wú)限均質(zhì)彈性介質(zhì),則煤層中的集中應(yīng)力會(huì)在底板巖層中均勻連續(xù)地傳播和分布。地層中應(yīng)力的傳播和分布會(huì)隨傳播距離的增加而逐漸減小。因此,與煤層巷道相比,無(wú)論在時(shí)間上、大小上和范圍上,煤層底板巷道內(nèi)的采動(dòng)應(yīng)力的超前傳播和超前影響都是不同的。本文所稱底板巖層內(nèi)采動(dòng)應(yīng)力影響傳播角是指:按照相同的礦壓觀測(cè)參數(shù),在處于同一個(gè)鉛垂剖面內(nèi)的煤層巷道、底板巖層巷道中按照相同影響程度分別劃定工作面超前支承壓力影響范圍,這兩個(gè)影響邊界之間的最短連線與水平面之間的夾角被稱之為底板巖層內(nèi)采動(dòng)應(yīng)力傳播角。

圖2 1541(3)運(yùn)輸巷、底板運(yùn)輸大巷工作面超前支承壓力影響區(qū)劃分

根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析比較,1541(3)運(yùn)輸巷中的超前支承壓力的明顯影響范圍為100 m,底板運(yùn)輸大巷中超前支承壓力的明顯影響范圍為80 m,底板運(yùn)輸大巷與13-1煤層埋深之差為25.5 m,因此,1541(3)綜放面開(kāi)采時(shí),其采動(dòng)支承壓力在底板巖層中的傳播角:

4 綜采面終采線位置的確定

假定3個(gè)終采線位置,工作面煤壁線在運(yùn)輸巷處的位置分別為A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)。A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)距運(yùn)輸巷與1541(3)軌道上山交匯處的距離分別為100 m、90 m和80 m。如果工作面采動(dòng)影響在傾向上和走向上的影響范圍相同,則煤壁線在運(yùn)輸巷距1541(3)軌道上山的距離為100 m、90 m和80 m時(shí),在采區(qū)下山上方的運(yùn)輸巷平面內(nèi),工作面的超前采動(dòng)影響將達(dá)到采區(qū)下山上方的A′、B′、C′點(diǎn)處,見(jiàn)圖1。

在圖1中,分別沿 AA′、BB′、CC′作剖面,并按煤層底板巖層采動(dòng)應(yīng)力傳播角劃分出工作面采動(dòng)時(shí)工作面超前支承壓力在煤壁前方煤層底板巖層中的影響范圍,見(jiàn)圖3。

在圖3中,當(dāng)終采線距1541(3)運(yùn)輸上山100 m時(shí),采區(qū)下山位于工作面底板采動(dòng)影響范圍外13 m。

當(dāng)終采線距1541(3)運(yùn)輸上山90 m時(shí),采區(qū)下山位于工作面底板采動(dòng)影響范圍外2 m。

圖3 采區(qū)下山受采動(dòng)影響分析剖面圖

當(dāng)終采線距1541(3)運(yùn)輸上山80 m時(shí),采區(qū)下山位于工作面底板采動(dòng)影響范圍以內(nèi)3 m。

因此,當(dāng)工作面終采線位于距1541(3)運(yùn)輸巷軌道上山80 m的位置時(shí),采區(qū)下山位于工作面底板采動(dòng)影響范圍之內(nèi),顯然不合適;當(dāng)工作面終采線位于距1541(3)運(yùn)輸巷軌道上山100 m的位置時(shí),采區(qū)下山位于工作面底板采動(dòng)影響范圍之外13 m,這時(shí),雖然采區(qū)下山位于工作面底板采動(dòng)影響范圍之外,但與在采區(qū)下山基本不受采動(dòng)影響和破壞的前提下多回收煤炭資源的原則有悖;當(dāng)工作面終采線位于距1541(3)運(yùn)輸巷軌道上山90 m的位置時(shí),采區(qū)下山位于工作面底板采動(dòng)影響范圍之外僅2 m,應(yīng)該是合適的。因此,根據(jù)觀測(cè)和分析,當(dāng)1541(3)綜放面在距1541(3)工作面軌道上山90 m處停采時(shí),位于回采煤層底板的采區(qū)下山將不會(huì)或基本不會(huì)受到1541(3)綜放面超前支承壓力的破壞或嚴(yán)重影響。

5 結(jié)論與建議

(1)根據(jù)對(duì)1541(3)綜放面回采期間及停采后一段時(shí)期內(nèi)本工作面回采巷道及其底板巖層巷道的礦壓觀測(cè)以及對(duì)觀測(cè)結(jié)果的分析,本工作面在其回采中的超前支承壓力的明顯影響范圍為100 m,超前支承壓力在煤層底板巖層中的傳播角為38°。當(dāng)1541(3)綜放面終采線距采區(qū)下山90 m以外,采區(qū)下山將不會(huì)或很少受到該工作面超前支承壓力的破壞和影響。采用該方法確定工作面終采線位置,停采后兩年多,所保護(hù)的底板下山基本未受到采動(dòng)影響,巷道維護(hù)狀況良好。

(2)本次觀測(cè)和研究結(jié)果反映的是該礦某采區(qū)首采面回采期間和回采結(jié)束后其煤層底板巖層內(nèi)的工作面超前支承壓力的分布和傳播規(guī)律。而對(duì)于該采區(qū)的地質(zhì)條件來(lái)說(shuō),根據(jù)地表移動(dòng)計(jì)算理論,該首采面的回采屬于非充分采動(dòng)。因此,隨著采區(qū)范圍內(nèi)回采面積的增大,對(duì)于充分采動(dòng)時(shí)工作面超前支承壓力在其底板巖層內(nèi)的分布和傳播規(guī)律,應(yīng)該會(huì)有所不同,主要表現(xiàn)為破壞和影響的范圍更大、程度更嚴(yán)重。

(3)工作面終采線位置的研究和確定,是在具體的地質(zhì)采礦條件下進(jìn)行的,因此具有其特定性,對(duì)于不同地質(zhì)采礦條件下的工作面和底板巖層巷道,其采動(dòng)的破壞和影響程度及范圍可能不完全相同,但其使底板采區(qū)下山免受采動(dòng)破壞的工作面終采線劃定的方法應(yīng)該是可以借鑒的。

(4)為了使觀測(cè)和研究的結(jié)果更準(zhǔn)確、更具有代表性,使工作面終采線位置的確定更加合理,應(yīng)對(duì)同一采區(qū)或礦井進(jìn)行若干次類似的觀測(cè)和研究。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

Delimitation of coalmining boundary to avoid the influence ofmining of dip entry in floor

He Bingyin
(Coal Science Research Institute of Anhui province,Hefei,Anhui 230001,China)

Method of delimitation of coal district dip is put forward.Adopting this method,the district dip of the fully mechanized coal face was determined and the influence ofmining of dip entry in floor was avoided.

district dip,dip entry,mining-induced influence,terminal line

TD822.1

B

何炳銀(1954-),男,正高級(jí)工程師,1982年畢業(yè)于淮南礦業(yè)學(xué)院采礦系?，F(xiàn)在安徽省煤炭科學(xué)研究院從事礦山壓力與巷道支護(hù)研究工作。