综采工作面过断层顶板冒落机理分析.doc

综采工作面过断层顶板冒落机理分析(西山煤电股份有限公司马兰矿 马兰，山西 古交030205)摘 要：通过对12504综采工作面建立冒落结构模型和冒落体“块体”模型，运用块体理论分析其冒落机理并最终得出相关结论。关键词：冒落;关键块;块体;松散体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 言山西焦煤西山煤电集团公司马兰矿是一座新型的现代化矿井。矿井位于吕梁山东翼、汾河之滨，距太原市69公里。 马兰矿于1983年11月开工建设，1990年6月正式投产，设计年生产能力400万吨。12504综采工作面自生产以后，冒顶事故频发，冒落面积、冒落高度均不等，严重影响正常生产和矿工生命安全，直接经济损失难以估量。加强顶板管理，有效处理和预防冒顶事故对煤矿安全生产至关重要。通过对12504综采工作面建立冒落结构模型和冒落体“块体”模型，运用块体理论分析其冒落机理并最终得出相关结论。1马兰矿12504综采工作面基本情况1.1工作面位置与煤层赋存情况工作面皮带巷、轨道巷开口于南五2号煤进风轨道下山，专用回风巷开口于12502皮带巷；12504皮带巷022米上部间隔911米为12506回风联巷，122596米段在10504采空区下部，二者间距813米；皮带巷东南部实体间隔11米为12506专用回风巷；轨道巷里程2631米上方间隔6米为南五采区回风联巷；专用回风巷段0120米西北部实体间隔24米为12502采空区；专用回风巷段西北部实体间隔4526米为12106采空区及12102废切眼。该工作面所采煤层为石炭二叠系山西组2号煤，属稳定可采近水平中厚煤层，煤层厚度2.683.57米，平均厚度3.26米，为1号与2号煤层合并区，结构较复杂，靠上部含一层夹矸，厚度0.070.40米，平均0.17米，岩性以粉砂质泥岩为主，煤层结构0.29（0.17）2.80。本区上部02号煤大部分未采，煤厚1.051.30米，平均1.10米；02号煤与2号煤层间距814米，平均11米。1.2顶底板情况见表1。表1 12504综采工作面顶底板情况1.3掘进中揭露的断层根据掘进资料，工作面巷道共揭露断层11条，落差在0.43.6米。断层情况见表2。表2 12504综采工作面揭露断层情况断 层走向（）倾向（）倾角（）性 质落差（m）对回采影响程度F12504-13497923逆1.22.1较大F12504-22511565正0.6较小F12504-36233285正1.5中等F12504-42829885正0.41.3较小F12504-589843正3.03.6极大F12504-63336362正0.8较小F12504-73295961正2.43.0极大F12504-83467666正0.81.7较大F12504-93356537正0.8较小F12504-1032523542正0.95较小F12504-113144427逆0.6较小2建立结构模型及冒落体力学模型回采工作改变了煤体的应力状态，不同位置的围岩也将处于不同的物性状态。通常，距离工作面由远到近围岩依次处于弹性区、塑性区。破裂区、破碎区、松动区。因煤层力学性质及所处应力场不同，一般来讲，回采时工作面煤壁及断面顶板处于破裂、破碎或松动状态。工作面冒落大致可分为两种情况：一是关键块的失稳掉落（如图1所示）；二是岩层破碎成散体后的冒落（如图2所示）。图1 关键块的失稳掉落图2 岩层破碎成散体后的冒落当端面顶板破裂成较大块体时，其力学行为特征符合块体力学原理，即端面顶板岩块体结构中出现关键块体时，将会发生冒落，冒落高度和范围与关键块体的形状及大小以及块体结构特征有关（如图1所示）。而顶板中的水平压力，煤层内摩擦角的大小以及块体边界面与临空面的空间位置关系等是关键块体能否出现的决定性因素。当端面顶板岩层处于破碎状态时，其力学行为特征近似于散体介质，即：充分的水平挤压作用条件下，下部煤体将会因重力的作用而发生冒落直至形成自然冒落平衡拱（如图2所示）。由散体介质力学原理可知，冒落拱的高度与围岩性质以及端面控顶距有关。工作面煤层断层、裂隙、节理、褶曲等地质构造发育，多为裂隙结构，可视为块体结构。据此特点，构建端面冒落体的“块体”结构模型（如图3所示）。其下位直接顶岩层可视为由裂隙分割成的块体所组成，即只有少部分出露的如图中A块，大部分出露的如图中B块，完全出露的如图中C块。图3 冒落体的“块体”结构模型3冒顶机理分析及主要结论根据块体理论，冒落体中C块为有限可动块体。从结构失稳的角度出发，下部煤层开采顶板结构失稳应首先发生在C块体。当块体失稳，丧失承载能力，原来由C类块体所承受的载荷，自然后会转移到A、B类块体之上，使原本不可能产生破断的A、B类块体，在新的载荷集度下可能产生破断，进而引起连锁反应，造成整个结构的失稳，形成严重的端面冒落。通过对块体破断条件进行分析，可以看出，A类块体破断时所需载荷较大，通常情况下为较稳定的块体。B类块体破断时所需载荷要小得很多，因此B类块体在端面产生破断的可能性较大。当破断成C块体后则会随着端面顶板的下沉，自然会转移到A类块体之上，使原本不可能产生断裂的A类块体，在新的载荷集度下产生破断，进而引起连锁反应造成顶板冒落。12504工作面煤层先后受到断层构造应力，10504、12106工作面及12102工作面废弃眼的采动影响，原本致密坚硬的顶板岩层已变成破碎的松散体，其承载能力已经很小甚至丧失承载能力，不再具备承载体的特征，同时，在控制采场围岩稳定性方面已基本起不到关键作用。而且，由于受所处的位置及生产工艺的限制，难以给其施加围压，即无法使其处于三向受压状态。因此，当受到相应扰动时将会发生冒落现象。巷道的开挖以及工作面的回采使围岩中原有的应力平衡状态被打破，因此，其中的应力将要进行重新分布，以使围岩中的应力状态达到新的平衡。而且，这种应力状态的变化将要随着采动影响的不断加剧而反复进行。根据围岩-支架相互关系理论，在特定条件下，承载体和载荷体可以相互转化，并且，围岩承载体系的结构体系、承载体系所承受的载荷大小以及承载体系和围岩的变形及稳定性等方面存在着差异。因此，进行顶板支护时，不仅要考虑支架的支撑能力这一因素，更要求针对不同围岩情况支架的初撑力、工作阻力等随时做出调整，以保证围岩-支架相互作用体系的稳定性。参考文献(References)；钱鸣高，石平五，许家林. 矿山压力与岩层控制. 徐州：中国矿业大学出版社，2010蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩石力学与工程.北京：科学出版社，2002陈炎光，钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制.徐州：中国矿业大学出版社，1994何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学.北京：科学出版社，2001钱鸣高，缪协兴，茅献彪.综放采场围岩-