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“三软”煤层综放回采巷道底板变形破坏实测研究


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“三软”煤层综放回采巷道底板变形破坏实测研究
朱术云,鞠远江
中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州(221116)
E-mail:shyzhuqiao@163.com

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摘 要:通过对郑州矿区超化煤矿 22121(东)综放工作面上下

巷道钻场所布置钻孔的应变 实测,得出了“三软”煤层巷道底板采动变形破坏的深度、层位及其受采动煤壁前方应力峰值 的宽度和影响的范围,受超前应力集中的影响,下巷的变形破坏深度和程度均大于上巷。揭 示了在正常采动情况下厚的软煤和软底对应力和变形的传播具有一定的缓冲作用,发现了主 采煤层底板中段灰岩组(L7-8灰)对应力分布和变形破坏起到了重要控制作用。这为豫西煤 炭资源向深部带压开采所引起的底板水防治提供了重要参考的依据。 关键词: “三软”煤层;综放;采动巷道底板;应变实测;变形破坏 中图分类号:TD323

1. 引言
从力学的角度来看,采矿过程引起一系列围岩应力的重新分配,是围岩应力场的一个动 态平衡与变化过程
[1-

4]。在这一过程中,底板岩体的应力状态也处于不断的调整,并产生相
[5-

应的位移、变形直至破坏

7]。因此,对于采动底板变形、破坏规律及突水条件研究,必须

要了解采动底板的应力场、应变场特征。通过原位实测底板采动过程的应力和应变的变化规 律是揭示底板采动变形破坏的应力条件的最有效方法。应变是用来度量变形程度的量,其值 大小反映底板岩体破坏程度和变形强弱。随着工作面推进→顶板悬空→顶板垮落,则底板变 形出现压缩→膨胀→再压缩的变化过程。当底板岩体裂隙或原生节理在应力场的作用下沿其 结构面产生移动时,通过埋设在钻孔不同深度处应变传感器的监测值可反映出煤层底板采动 移动或变形破坏的程度,并通过相关曲线可计算出煤壁前方应力集中影响的范围。以往的研 究中,很多人采用不同的方法对华北一些矿区采动底板变形破坏规律进行了不同角度的研 究,并取得了大量的研究成果[8-16]。但对郑州矿区软顶、厚的软煤和软底这样的“三软”煤层 在采动过程中底板变形破坏规律的研究相对较少,而这一问题的研究对豫西煤炭资源的开采 无疑具有重要的理论和现实意义。为此,结合项目在郑州矿区东部超化矿井中选取 22121(东) 典型综放工作面上、下巷进行采动底板变形破坏的应变实测,来进一步研究采动底板的变形 破坏影响范围的深度及其差异性,以便为理论计算与数值模拟提供必要的相关参数并和其相 应结果[17-19]进行综合对比分析,从而为郑州矿区主采煤层二 参考依据。
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煤向深部安全开采提供必要的

2. 22121(东)工作面基本概况及其钻孔设计参数
22121(东)工作面位于矿井-100 东部为 22 下山保护煤柱,西部为 水平 22 采区,地面标高+190~+221m,工作面标高 -186~-263m。该工作面北部为 22101 工作面及 22101(西)采空区,南部为 22141 工作面, 22121(西)采空区。工作面走向长 620.0m,倾斜长
2

93.0~106.0m,平均 101.0m,面积 62620.0m 。二

1

煤层赋存厚度变化较大,厚度 4.0~17.0m,

平均 10.0m;煤层倾角变化较大,表现东部陡西部缓,在 10° ~29° 之间,平均 17° 。经过井下 实地观察,煤层破碎、松软,容易产生煤尘。工作面构造复杂,煤层整体上呈现单斜形态,

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本课题得到教育部高校博士点基金(新教师基金)项目(编号:20070290528)的资助。 -1-

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掘进巷道时揭露了 18 条断层,其中 F15为逆断层,其余为正断层。受构造影响,煤层底板 起伏较大。工作面直接充水水源为 L7-8 灰岩水,预计正常涌水量 229.8m /h,最大涌水量 3 298.7m /h。 根据相关计算公式,该面的钻孔设计计算主要参数见表 1
表 1 技术参数 开孔直径(mm)/深度(m) 孔口管直径(mm)/长度(m) 终孔直径(mm) 孔深(m) 钻孔方位 钻孔倾角(° ) 与巷道夹角(° ) 伸进工作面水平距离(m) 控制底板最大真厚度(m) 超化矿 22121(东)工作面底板破坏深度观测孔设计技术参数 下副巷 146/6.0 146/6.0 127/6.0 127/6.0 108 108 34.52 45.28 20°200° -50°-50° 90°90° 22.19 29.10 31.00 31.00 上副巷
3

3. 传感器布置与观测要求
用于这次底板采动影响破坏深度的应变传感器是与中国地质科学院工程地质力学研究 所专门合作研制的(图 1),该传感器在结构上具有测试到读数时表示正常工作,而测试不 到读数时就表示被破坏的功能。对矿井回采工作面下巷钻场所打的测试钻孔看,不能观测到 读数有两种可能,一种可能是钻孔内的传感器因采动导致结构给破坏了;另一种可能是工作 面推进到钻孔位置处由于工作面回采把导线从钻孔孔口处给弄断了。若是工作面没有推进到 钻孔位置而观测不到读数,则表明钻孔内该处的传感器已破坏了;若是工作面快推进到钻孔 位置而读数与以前变化不大,推过以后就没有读数,则表明是导线因回采从孔口给弄断了。

图 1

钻孔测试的应变传感器

这次现场测试的主要目的是计算和控制二1煤在正常采动情况下底板变形破坏的深度范 围。根据郑州矿区地质资料和主采煤层二
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煤底板岩层分布特征,结合华北型一些矿井底板

采动破坏实测深度的结果分析,初步认为郑州矿区主采煤层二1煤底板下的太原组第八层灰 岩(L8)和第七层灰岩(L7)对正常采动条件下底板采动变形破坏将起到“关键层”的作用。 故本次测试所埋设的传感器主要层位就布置在 L8灰岩中间和 L7灰岩层位顶部位置(图 2)。 在钻孔中传感器的安装自下而上进行,传感器下到设定位置后,用 1:1 水泥浆(加速凝剂) 浇灌密实封孔,并经过 1~2 天固结期,然后方可进行观测。

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二1煤层 泥岩,局部 为砂质泥岩

导线

10.0

应变 传感器

2.8 2.0 7.0

L8灰岩 灰色泥岩 L7灰岩 砂质泥岩,局 部夹薄层灰岩

35.0

图 2

钻孔内传感器主要布置层位示意图

采动应变观测是在工作面上、下巷道合适位置按设计方位进行打钻,在钻孔内不同深度 处放置应变传感器,分别测试采动过程该位置岩层的变形程度,然后通过对比各测点传感器 采动过程中所反映的变形情况来确定底板所受采动的破坏影响的深度范围。上巷钻孔位于 15 号钻场,在该孔内布置了两个传感器,一个位于钻孔深度的 25.3m,距二 二
1

煤底板距离为 33.8m,距

15.0m,层位处于太原组灰岩(L8)顶部位置处;另外一个探头位于钻孔深度的
1

煤底板距离为 20.0m,层位处于太原组灰岩(L7)中间偏上位置处;该面下巷钻孔位于
1

2 号钻场,在该孔也布置了两个传感器,一个位于钻孔深度的 25.0m,距二

煤底板距离为
1

21.8m,层位处于太原组灰岩(L8)顶部位置处;另外一个位于钻孔深度的 30.0m,距二

煤底板距离为 26.2m,层位处于太原组灰岩(L8)中间位置处。该钻场所处工作面位置为煤 岩层倾角较大位置处,且层位厚度变化也较大。具体布置的平面位置见图 3,每个钻孔内布 置两个应变传感器(图 1),传感器在钻孔岩层中的接线见图 2,传感器的安装自下而上进行。 一开始由于上巷工作面距离钻孔为 112m,相对较远,钻孔基本不受煤层采动影响,故 开始时每周下井测试 2 次;下巷布孔时距离工作面为 50m,相对较近,两孔每隔一天下井测 试一次,最后 15m 两孔每天下井测试一次,直到传感器破坏不能观测到数据为止。

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3812300

3812200

22121(东)工作面上巷
16#钻场 15#钻场 14#钻场

监测孔


工作面推进方向

监测孔


迁巷 3812100 1#钻场 2#钻场

22121(东)工作面下巷

38445400 38445200

38445300

图 3

超化矿 22121(东)工作面上下巷监测钻孔布置平面示意图

4. 22121(东)工作面测试结果分析
图 4 和图 5 是超化矿 22121(东)工作面上、下巷两钻场经过两个多月(2007.7.4- 2007.9.21)的井下观测所获得的传感器应变值随开采距离的变化曲线。 图 4A 是该面上巷一个位于钻孔深度为 25.3m 位置处所测试的传感器的应变值随工作面 推进的变化曲线。图 4B 是该面上巷一个位于钻孔深度为 33.8m 位置处所测试的传感器的应 变值随工作面推进的变化曲线。从采动过程的观测结果来看,上巷监测钻孔所埋设的两个传 感器直到工作面推进到钻孔跟前都有读数,这说明采动过程中这两个传感器均没有发生破 坏。钻孔上部传感器距离二 度仍约 45m 左右。
1

煤底板的距离为 15.0m,层位处于太原组灰岩(L8)顶部位置

处。从曲线波动变化规律来看,煤壁前方最大应力集中峰值距离工作面约 9m,采动影响长

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http://www.paper.edu.cn 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 -1000 -2000 -3000 A 钻孔深度为 25.3m 位置处所测试的应变值随工作面推进的变化曲线 20 40 60 80 100 120 监测钻孔距工作面距离 /m B1 A1 A2 B2 A3 B3

9000

7000

B1 A1

5000

B2 A2 B3 A3

3000

1000

监测钻孔距工作面距离 /m

-1000

0

20

40

60

80

100

120

-3000 B 钻孔深度为 33.8m 位置处所测试的应变值随工作面推进的变化曲线 图 4 超化矿 22121(东)工作面上巷钻孔实测应变曲线

图 5A 是该面下巷一个位于钻孔深度为 25.0m 位置处所测试的传感器的应变值随工作面 的推进的变化曲线。图 5B 是该面下巷一个位于钻孔深度为 30.0m 位置处所测试的传感器的 应变值随工作面的推进的变化曲线。

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http://www.paper.edu.cn 1500 1250 A1 1000 750 500 250 0 0 -250 -500 A 钻孔深度为 25m 位置处所测试的应变值随工作面推进的变化曲线 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 B1 A2 B2

监测钻孔距工作面距离 /m

600 A1 450 B1 A2 300 B2

150

0 0 -150 5 40 10 45 监测钻孔距工作面距离 /m -300 15 20 25 30 35 50

B

钻孔深度为 30m 位置处所测试的应变值随工作面推进的变化曲线 图 5 超化矿 22121(东)工作面下巷钻孔实测应变曲线

从采动过程的观测结果(图 5)看,下巷监测钻孔所埋设的两个传感器直到工作面快推 进到钻孔跟前时才发生破坏,该钻孔上部传感器当工作面距离钻孔 4m 时仍有读数,但当第 二天下井测试工作面距离钻孔 2.5m 时各道已没有读数。该孔下部传感器当工作面距离钻孔 1m 时有一道已没有读数,该钻孔上部传感器所处层位位于太原组第八层灰岩(L8)和第九 层灰岩(L9)之间,下部传感器所处层位位于太原组第八层灰岩(L8)之间。从曲线波动变 化规律来看,煤壁前方最大应力集中峰值距离工作面约 7.5m,采动影响长度仍约 45m 左右。 由此可见,22121(东)工作面底板最大应力峰值距离工作面在 7.5-9.0m 之间,采动影
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响长度约 45m,底板最大破坏深度在底板下 15m 以内,止于太原组第八层灰岩(L8)的中 间部位,下巷的采动破坏深度明显大于上巷。由此可推断出该工作面采动最大破坏深度应位 于第八层灰岩(L8)的下部,具体止于第七层灰岩(L7)顶部的灰色泥岩已在文献[18]中得 到了验证。

5. 结论
(1)根据现场实测结果,超化矿 22121(东)工作面采动最大破坏影响深度止于七灰顶部 的泥岩中,煤壁前方最大应力峰值距离工作面 7.5-9.0m,采动影响长度约为 45m。 (2)工作面推进过程中下巷所受超前集中压力大于上巷,导致下巷底板的采动破坏深 度和程度大于上巷。 (3)在正常采动情况下郑州矿区二
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煤底板采动影响范围可达 15.0m,厚的软煤和软底

对采动底板变形破坏起到了一定的缓冲作用。正常情况下七灰对底板采动变形破坏可作为重 要控制作用的“关键层”,它对底板采动变形破坏的扩展起到了一定的“屏蔽”效应。

参考文献
姜福兴. 矿山压力与岩层控制[M]. 北京:煤炭工业出版社,2004. 王希良,彭苏萍,杜木民.“三软”煤层巷道围岩变形破坏机理分析[J]. 煤炭科学技术,2002,30(4):6-8. 程学丰,刘盛东,刘登宪. 煤层采后围岩破坏规律的声波 CT 探测[J]. 煤炭学报,2001,26(2):153-155. 谢广祥,杨 科,常聚才. 综放回采巷道围岩力学特征实测研究[J]. 中国矿业大学学报,2006,35(1):94-98. 王卫军, 侯朝炯. 沿空巷道底鼓力学原理及控制技术的研究[J]. 岩石力学与工程学报,2004,23(1):69~ 74. [6] 张向阳,涂敏,黄乃斌. 动压影响下底板大巷围岩应力分析及其控制研究[J]. 煤矿开采,2006,11(3):58-61. [7] 关英斌,李海梅,金瞰昆. 煤层底板采动破坏特征研究[J]. 煤炭科学技术,2002,30(6):35-38. [8] 吴基文,樊成. 煤层底板岩体阻水能力原位测试研究 [J]. 岩土工程学报,2003,25(1):67-70. [10] 吴基文.煤层底板采动效应与阻水性能的岩体结构控制作用研究[博士学位论文][D].徐州:中国矿业大 学.2007. [11] 肖洪天,温兴林,张文泉,等. 分层开采底板岩层移动的现场观测研究[J]. 岩土工程学报,2001,23(1): 71-74. [12] 关英斌,李海梅,路军臣. 显德汪煤矿 9 号煤层底板破坏规律的研究[J]. 煤炭学报,2003,28(2):121-125. [13] 王希良,梁建民,王进学. 不同开采条件下煤层底板破坏深度的测试研究[J]. 煤,2000,9(3):22-23. [14] 卫伟. 矿压对肥城矿区底板破坏深度的实测研究[J]. 中国煤炭,2005, 31 (9):55-57. [15] 何廷峻. 利用跨采石门测试煤层底板破坏深度[J]. 矿山压力与顶板管理,2003,3:103-105. [16] 张平松,吴基文,刘盛东. 煤层采动底板破坏规律动态观测研究[J]. 岩石力学与工程学报,2006,25 (Supp.1):3009-3013. [17] 朱术云,姜振泉,姚普,等. 采场底板岩层应力的解析法计算及应用[J]. 采矿与安全工程学报,2007, 24(2):191-194. [18] 朱术云.“三软”厚煤层底板采动变形特征及其机理研究-以郑州矿区为例[博士学位论文] [D]. 徐州:中 国矿业大学.2007. [19] 朱术云,姜振泉,侯宏亮. 相对固定位置采动煤层底板应变的解析法及应用[J]. 矿业安全与环保,2008, 35(1):18-20. [1] [2] [3] [4] [5]

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Field Measurement Study on Deformation and Destruction of the Mining “Three-soft”Coal Seam Tunnel Floor
Zhu Shuyun, Ju Yuanjiang
School of Resources and Earth Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu (221116) Abstract
In this paper, depth and stratum of deformation and destruction and the extension of variation and width of stress peak in front of mining working face are systematically gained on mining effect of the “three-soft”coal seam floor by field strain measurement at 22121(east) working face in Chaohua colliery in Zhengzhou mining area, and the depth and degree at low tunnel are much greater than the up tunnel because of the influence of stress concentration. Thick soft coal seam and soft floor have a buffer action for stress and deformation under the normal condition, and the linestone groups (L ) of middle section have an important controlling function to the stress distribution and deformation and destruction. It is as the basis for prevention and cure of floor water for the mining coal to the depth of the west of Henan province. Keywords: “three-soft”coal seam; fully mechanized top-coal caving face; mining tunnel floor; strain by field measurement; deformation and destruction
7-8

作者简介: 朱术云(1975-),男,安徽灵璧人,讲师,博士,从事煤矿工程地质方面的教 学和科研工作。

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