綜采工作面過斷層頂板冒落機理分析.doc

綜采工作面過斷層頂板冒落機理分析(西山煤電股份有限公司馬蘭礦 馬蘭，山西 古交030205)摘 要：通過對12504綜采工作面建立冒落結(jié)構模型和冒落體“塊體”模型，運用塊體理論分析其冒落機理并最終得出相關結(jié)論。關鍵詞：冒落;關鍵塊;塊體;松散體Analysis of mechanized working face Through Faults roof fall mechanism(Ma lan Coal Mine, X ishan Coa l Pow er Corp orat ion L td ., Gujiao, Shanxi 030205, China)Abstract:Through the establishment of 12504 mechanized mining face failing structure model and the failling body block model, using block theory analyzes the mechanism and ultimately draw relevant conclusions. Key word: collapse ;key body; block ; Loose body引 言山西焦煤西山煤電集團公司馬蘭礦是一座新型的現(xiàn)代化礦井。礦井位于呂梁山東翼、汾河之濱，距太原市69公里。 馬蘭礦于1983年11月開工建設，1990年6月正式投產(chǎn)，設計年生產(chǎn)能力400萬噸。12504綜采工作面自生產(chǎn)以后，冒頂事故頻發(fā)，冒落面積、冒落高度均不等，嚴重影響正常生產(chǎn)和礦工生命安全，直接經(jīng)濟損失難以估量。加強頂板管理，有效處理和預防冒頂事故對煤礦安全生產(chǎn)至關重要。通過對12504綜采工作面建立冒落結(jié)構模型和冒落體“塊體”模型，運用塊體理論分析其冒落機理并最終得出相關結(jié)論。1馬蘭礦12504綜采工作面基本情況1.1工作面位置與煤層賦存情況工作面皮帶巷、軌道巷開口于南五2號煤進風軌道下山，專用回風巷開口于12502皮帶巷；12504皮帶巷022米上部間隔911米為12506回風聯(lián)巷，122596米段在10504采空區(qū)下部，二者間距813米；皮帶巷東南部實體間隔11米為12506專用回風巷；軌道巷里程2631米上方間隔6米為南五采區(qū)回風聯(lián)巷；專用回風巷段0120米西北部實體間隔24米為12502采空區(qū)；專用回風巷段西北部實體間隔4526米為12106采空區(qū)及12102廢切眼。該工作面所采煤層為石炭二疊系山西組2號煤，屬穩(wěn)定可采近水平中厚煤層，煤層厚度2.683.57米，平均厚度3.26米，為1號與2號煤層合并區(qū)，結(jié)構較復雜，靠上部含一層夾矸，厚度0.070.40米，平均0.17米，巖性以粉砂質(zhì)泥巖為主，煤層結(jié)構0.29（0.17）2.80。本區(qū)上部02號煤大部分未采，煤厚1.051.30米，平均1.10米；02號煤與2號煤層間距814米，平均11米。1.2頂?shù)装迩闆r見表1。表1 12504綜采工作面頂?shù)装迩闆r1.3掘進中揭露的斷層根據(jù)掘進資料，工作面巷道共揭露斷層11條，落差在0.43.6米。斷層情況見表2。表2 12504綜采工作面揭露斷層情況斷 層走向（）傾向（）傾角（）性 質(zhì)落差（m）對回采影響程度F12504-13497923逆1.22.1較大F12504-22511565正0.6較小F12504-36233285正1.5中等F12504-42829885正0.41.3較小F12504-589843正3.03.6極大F12504-63336362正0.8較小F12504-73295961正2.43.0極大F12504-83467666正0.81.7較大F12504-93356537正0.8較小F12504-1032523542正0.95較小F12504-113144427逆0.6較小2建立結(jié)構模型及冒落體力學模型回采工作改變了煤體的應力狀態(tài)，不同位置的圍巖也將處于不同的物性狀態(tài)。通常，距離工作面由遠到近圍巖依次處于彈性區(qū)、塑性區(qū)。破裂區(qū)、破碎區(qū)、松動區(qū)。因煤層力學性質(zhì)及所處應力場不同，一般來講，回采時工作面煤壁及斷面頂板處于破裂、破碎或松動狀態(tài)。工作面冒落大致可分為兩種情況：一是關鍵塊的失穩(wěn)掉落（如圖1所示）；二是巖層破碎成散體后的冒落（如圖2所示）。圖1 關鍵塊的失穩(wěn)掉落圖2 巖層破碎成散體后的冒落當端面頂板破裂成較大塊體時，其力學行為特征符合塊體力學原理，即端面頂板巖塊體結(jié)構中出現(xiàn)關鍵塊體時，將會發(fā)生冒落，冒落高度和范圍與關鍵塊體的形狀及大小以及塊體結(jié)構特征有關（如圖1所示）。而頂板中的水平壓力，煤層內(nèi)摩擦角的大小以及塊體邊界面與臨空面的空間位置關系等是關鍵塊體能否出現(xiàn)的決定性因素。當端面頂板巖層處于破碎狀態(tài)時，其力學行為特征近似于散體介質(zhì)，即：充分的水平擠壓作用條件下，下部煤體將會因重力的作用而發(fā)生冒落直至形成自然冒落平衡拱（如圖2所示）。由散體介質(zhì)力學原理可知，冒落拱的高度與圍巖性質(zhì)以及端面控頂距有關。工作面煤層斷層、裂隙、節(jié)理、褶曲等地質(zhì)構造發(fā)育，多為裂隙結(jié)構，可視為塊體結(jié)構。據(jù)此特點，構建端面冒落體的“塊體”結(jié)構模型（如圖3所示）。其下位直接頂巖層可視為由裂隙分割成的塊體所組成，即只有少部分出露的如圖中A塊，大部分出露的如圖中B塊，完全出露的如圖中C塊。圖3 冒落體的“塊體”結(jié)構模型3冒頂機理分析及主要結(jié)論根據(jù)塊體理論，冒落體中C塊為有限可動塊體。從結(jié)構失穩(wěn)的角度出發(fā)，下部煤層開采頂板結(jié)構失穩(wěn)應首先發(fā)生在C塊體。當塊體失穩(wěn)，喪失承載能力，原來由C類塊體所承受的載荷，自然后會轉(zhuǎn)移到A、B類塊體之上，使原本不可能產(chǎn)生破斷的A、B類塊體，在新的載荷集度下可能產(chǎn)生破斷，進而引起連鎖反應，造成整個結(jié)構的失穩(wěn)，形成嚴重的端面冒落。通過對塊體破斷條件進行分析，可以看出，A類塊體破斷時所需載荷較大，通常情況下為較穩(wěn)定的塊體。B類塊體破斷時所需載荷要小得很多，因此B類塊體在端面產(chǎn)生破斷的可能性較大。當破斷成C塊體后則會隨著端面頂板的下沉，自然會轉(zhuǎn)移到A類塊體之上，使原本不可能產(chǎn)生斷裂的A類塊體，在新的載荷集度下產(chǎn)生破斷，進而引起連鎖反應造成頂板冒落。12504工作面煤層先后受到斷層構造應力，10504、12106工作面及12102工作面廢棄眼的采動影響，原本致密堅硬的頂板巖層已變成破碎的松散體，其承載能力已經(jīng)很小甚至喪失承載能力，不再具備承載體的特征，同時，在控制采場圍巖穩(wěn)定性方面已基本起不到關鍵作用。而且，由于受所處的位置及生產(chǎn)工藝的限制，難以給其施加圍壓，即無法使其處于三向受壓狀態(tài)。因此，當受到相應擾動時將會發(fā)生冒落現(xiàn)象。巷道的開挖以及工作面的回采使圍巖中原有的應力平衡狀態(tài)被打破，因此，其中的應力將要進行重新分布，以使圍巖中的應力狀態(tài)達到新的平衡。而且，這種應力狀態(tài)的變化將要隨著采動影響的不斷加劇而反復進行。根據(jù)圍巖-支架相互關系理論，在特定條件下，承載體和載荷體可以相互轉(zhuǎn)化，并且，圍巖承載體系的結(jié)構體系、承載體系所承受的載荷大小以及承載體系和圍巖的變形及穩(wěn)定性等方面存在著差異。因此，進行頂板支護時，不僅要考慮支架的支撐能力這一因素，更要求針對不同圍巖情況支架的初撐力、工作阻力等隨時做出調(diào)整，以保證圍巖-支架相互作用體系的穩(wěn)定性。參考文獻(References)；錢鳴高，石平五，許家林. 礦山壓力與巖層控制. 徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2010蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學與工程.北京：科學出版社，2002陳炎光，錢鳴高.中國煤礦采場圍巖控制.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1994何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程力學.北京：科學出版社，2001錢鳴高，繆協(xié)興，茅獻彪.綜放采場圍巖-