閻海鵬,唐 治,李國臻,馮 瑞

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院,遼寧阜新 123000)

減小地應(yīng)力對煤礦開采影響的方法

閻海鵬,唐 治,李國臻,馮 瑞

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院,遼寧阜新 123000)

為減小地應(yīng)力對煤礦開采影響,以大安山煤礦為研究對象,通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、對采煤工作面及巷道的礦壓觀測結(jié)果分析,提出以下方法：合理劃分采區(qū);合理安排開采順序;采用無煤柱護巷;加快采煤工作面的推進速度;選擇合理的回采巷道支護形式等。自實施以來,效果較好,保證了煤礦的安全開采。

地應(yīng)力;礦壓顯現(xiàn)規(guī)律;礦壓控制方法

隨開采深度增加,井田地應(yīng)力也逐漸增加,礦山壓力影響明顯增大。目前大安山煤礦開采水平已進入深部開采階段。在 680～550m水平開采時,9槽、10槽煤回采巷道礦壓顯現(xiàn)比較明顯。主要表現(xiàn)在：頂板下沉量大、巷道片幫、支架頂梁彎曲、扭曲等,尤其 10槽煤更為嚴(yán)重。

為維護巷道和控制頂板,每年都要消耗大量人力、物力。一般礦井的巷道維修人員約占井下生產(chǎn)工人的 10%～20%。進行礦壓控制,煤礦每年要消耗大量的坑木、金屬支護材料、水泥和其他材料。這些都明顯增加開采費用,使噸煤成本上升。如果對礦壓控制不善,可能發(fā)生各種頂板事故,造成人員傷亡、生產(chǎn)中斷,給礦井帶來更大的經(jīng)濟損失[1-6]。因此,掌握礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,研究礦壓控制的有效方法[7-10],對煤礦生產(chǎn)有十分重要的意義。

1 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

通過對 800m水平西五軸二石門軸 9上槽高檔面、550m水平西三石門軸 10下槽東一綜采面、西一石門軸 14槽西一綜采面和 680m水平西三石門軸 9上槽 (東三)綜采面、西三軸石門軸 12槽東二面、西四軸二石門軸 5下槽東五面、西四軸二石門軸 4槽 (東一面)、西四軸二石門軸 4槽 (東二面 )等,在 2009年 8月 25日至 2009年 11月 2日頂板來壓進行統(tǒng)計分析,得出采煤工作面和兩巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。部分工作面礦壓觀測結(jié)果如表 1。

1.1 采煤工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

(1)煤層直接頂板比較堅硬。因為所有工作面移架后頂板冒落并不充分,經(jīng)常有懸頂。

(2)隨開采深度增加,采煤工作面頂板壓力并沒有明顯增大現(xiàn)象。從 3個水平 8個工作面的礦壓觀測看,只有 800m水平懸移支架工作面頂板壓力最大,支架最大工作阻力在 40MPa左右。而680m和 550m水平的工作面礦壓顯現(xiàn)較緩和,支架最大工作阻力在 34MPa。

(3)頂板壓力與工作面支架的工作阻力有關(guān)。從 800m水平懸移支架工作面可看出,工作面開采深度最小,但其支架最大工作阻力最大,說明支架工作阻力較小,頂板發(fā)生離層,才導(dǎo)致支架工作阻力增大。而其他水平工作面隨開采深度增加,工作面支架工作阻力并沒有增大。因此,采煤工作面的支架選型是關(guān)鍵,應(yīng)選擇初撐力高、額定工作阻力大的支架。

1.2 采煤工作面兩巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

(1)隨開采深度增加,地應(yīng)力隨之增大。尤其在地質(zhì)構(gòu)造影響下,礦山地應(yīng)力更大。550m水平處于百草臺箱形倒轉(zhuǎn)向斜和大寒嶺倒轉(zhuǎn)背斜區(qū)域,受構(gòu)造應(yīng)力較大。

(2)煤層基本頂堅硬,當(dāng)采煤工作面相鄰開采時,上工作面開采后基本頂冒落不充分,出現(xiàn)懸臂造成高應(yīng)力集中區(qū)。下一工作面開采期間,當(dāng)基本頂垮落時,會使上一工作面基本頂隨同本工作面基本頂一起垮落。大面積基本頂垮落給本工作面上巷帶來非常大的壓力,使其發(fā)生破壞。

(3)由于煤質(zhì)較軟,承載能力較小,在高應(yīng)力集中區(qū)作用下,煤壁片幫嚴(yán)重,增大了巷道寬度,使頂板懸露面積增加,巷道支護物受力增大。導(dǎo)致采煤工作面沒有開采,上巷支護物已破壞。

(4)9槽采煤工作面處于 10槽采煤工作面下,即 9,10槽采煤工作面重合。9槽煤在其下開采時,回采巷道始終處于上層留設(shè)的煤柱下,也就是始終處于高應(yīng)力集中區(qū),所以導(dǎo)致巷道礦壓明顯增大,導(dǎo)致破壞。

表1 550m水平西三石門軸 10下槽東一綜采面頂板來壓情況統(tǒng)計

2 礦壓控制的有效方法

為有效保證礦井安全生產(chǎn),在礦井開拓、開采時應(yīng)采取相應(yīng)措施,避免或減少地應(yīng)力影響。

2.1 合理劃分采區(qū)

在采區(qū)劃分時,盡可能采用雙翼采區(qū)。雙翼采區(qū)開采時,可合理地安排工作面的開采順序。如550m水平西三石門為單翼采區(qū),當(dāng)一個采煤工作面生產(chǎn)時,下一個工作面要在相鄰區(qū)域準(zhǔn)備,采煤工作面產(chǎn)生的動壓勢必會影響掘進巷道,造成巷道的支護物損壞。

2.2 合理安排開采順序

采掘順序?qū)ΦV山壓力的大小和分布影響很大。當(dāng)巷道相向掘進,采煤工作面相向推進,以及在正在開采的采煤工作面邊緣掘進巷道,將導(dǎo)致正在掘進的巷道受雙重支承壓力影響,形成集中應(yīng)力區(qū),導(dǎo)致巷道變形以至于破壞。因此,應(yīng)盡量避免沿正在開采的采煤工作面邊緣掘進巷道 (雙翼采區(qū)可避免這種情況)。

2.3 采用無煤柱護巷

無煤柱開采是一項先進的開采技術(shù),其有利于提高煤炭采出率,同時也可消除或減少因煤柱引起的災(zāi)害。無煤柱護巷有 2種情況,沿空留巷和沿空掘巷。

(1)沿空留巷 沿空留巷是保留和維護上區(qū)段采煤工作面的下巷,作為下區(qū)段采煤工作面的上巷。這種方法與留煤柱時相比,不僅少掘一條巷道,減少了區(qū)段煤柱損失,而且巷道壓力較小,易于維護。但這種布置方式,要使該巷道經(jīng)受二次采煤工作面移動支承壓力的影響,還要較長時間承受殘余支承壓力。巷道維護時間較長,斷面縮小系數(shù)大,維護工作復(fù)雜,維護費用比較高。目前,沿空留巷方法有砌矸石帶、支設(shè)密集支柱或木垛、人工砌塊等。

(2)沿空掘巷 沿空掘巷是沿著上區(qū)段采煤工作面的采空區(qū)邊緣掘進下區(qū)段采煤工作面的上巷。該方法也是利用采空區(qū)邊緣固定支承壓力較小的特點,以便于上巷在掘進和生產(chǎn)期間的維護。沿空掘巷雖然沒有減少區(qū)段巷道的數(shù)目,但不留煤柱,減少了煤柱損失,特別是減少了上巷的維護工作量,甚至有的可以完全不用維護,還為鄰近煤層的開采創(chuàng)造了良好條件。沿空掘巷按巷道的具體位置分為完全沿空掘巷和留窄小煤柱沿空掘巷 2種。

大安山煤礦 550m水平西三石門軸 10下槽煤層比較松軟,區(qū)段之間留設(shè)的 10m左右的煤柱在礦壓作用下早已破壞。如東一工作面的上巷煤壁片幫非常嚴(yán)重,煤柱實際上已經(jīng)破壞,根本沒有承載能力。因此,可采用無煤柱護巷。

2.4 加快采煤工作面推進速度

采煤工作面推進速度太慢,會使采煤工作面上下巷道受壓時間增加,導(dǎo)致變形破壞;推進速度太快,工作面煤體集中應(yīng)力得不到及時釋放,容易造成應(yīng)力集中。大安山煤礦綜采的推進速度較慢,這是巷道變形或破壞的原因之一。因此,應(yīng)適當(dāng)加快采煤工作面的推進速度。

2.5 選擇合理的回采巷道及支護形式

選擇合適的回采巷道支護形式,可提高巷道支護質(zhì)量,減少巷道的翻修次數(shù),降低維修費用,為安全生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件。

2.5.1 支護形式的確定

根據(jù)大安山煤礦 550m水平西三石門軸 10下槽煤層的賦存情況,應(yīng)選擇適合于本煤層的回采巷道支護形式?，F(xiàn)采用的錨網(wǎng)索支護對于回采巷道是比較有效的支護形式,但支護參數(shù)應(yīng)根據(jù)具體情況做適當(dāng)調(diào)整。

(1)增加錨桿的支護強度 從 550m水平西三石門軸 10下槽東一綜采面上巷維護狀況看,錨桿的托盤有很多被壓壞,且錨桿間網(wǎng)兜較大,說明錨桿受力較大,支護密度不合理。

現(xiàn)大安山煤礦回采巷道錨桿支護密度為900mm×900mm,支護密度不夠,應(yīng)縮小錨桿的間排距,采用 800mm×800mm的支護密度 (根據(jù)理論計算確定錨桿的長度)。

10下槽煤直接頂板為復(fù)合頂板,且層理較發(fā)育。對于這種頂板,錨桿是懸吊和組合梁作用。懸吊作用是將頂板下部不穩(wěn)定的巖層懸吊在上部穩(wěn)定的巖層中,如圖 1所示;組合梁作用是將各個巖層夾緊形成組合梁,如圖 2所示,組合梁的厚度越大,承載能力越大。

現(xiàn)大安山煤礦回采巷道錨桿的長度為 2m,應(yīng)采用長度大于 2m的錨桿,提高組合梁的整體承載能力,以減少頂板的變形。

(2)增加錨索支護強度 10下槽煤層頂板為復(fù)合頂板,其中 10上槽煤層厚度 0.7m左右,不可采。在選擇支護形式時應(yīng)考慮該煤層,因其在煤層頂板內(nèi),錨索長度應(yīng)保證錨固在其上堅硬頂板內(nèi)。

從 550m水平西三石門軸 10下槽東一綜采面上巷維護狀況看,錨索受力較大,頂板離層現(xiàn)象較嚴(yán)重,說明錨索支護密度不夠。因此,應(yīng)縮小錨索支護的間排距。

圖1 錨桿的懸吊作用

圖2 錨桿的組合梁作用

東一綜采面上巷錨索采用雙排布置,長度 7m,間距 2m。錨索間排距不是固定值,應(yīng)根據(jù)頂板具體條件適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)頂板壓力大時,可采用 3排錨索,間距也應(yīng)縮小。

2.5.2 回采巷道布置

10下槽煤層煤質(zhì)較軟,煤壁片幫嚴(yán)重,550m水平西三石門軸 10下槽東一綜采面上巷在回采時,巷道寬度基本在 2m左右。因此,回采巷道采取寬巷布置,即為了避免因煤壁片幫而導(dǎo)致巷道寬度變小。這樣,不僅保證巷道有足夠的寬度,又減少了巷道的維修量。

3 結(jié)論

為保證礦井安全生產(chǎn),在礦井開拓、開采時應(yīng)采取相應(yīng)的措施,以避免或減少地應(yīng)力的影響。

(1)合理劃分采區(qū)：在采區(qū)劃分時,盡可能采用雙翼采區(qū)。

(2)合理安排開采順序,應(yīng)盡量避免沿正在開采的采煤工作面邊緣掘進巷道。

(3)采用無煤柱護巷。無煤柱開采是一項先進的開采技術(shù),有利于提高煤炭采出率,同時也可以消除或減少因煤柱引起的災(zāi)害。

(4)根據(jù)實際情況,適當(dāng)加快采煤工作面的推進速度。

(5)選擇合理的回采巷道及支護形式：增加錨桿的支護強度;增加錨索的支護強度;回采巷道采取寬巷布置等。

自方案實施以來,效果較好,保證了煤礦的安全開采。

[1]石平五.西部煤礦巖層控制泛述 [J].礦山壓力與頂板管理,2002(l)：6-8.

[2]姜福興,王同旭 .礦山壓力與巖層控制 [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2004.

[3]宋振騏 .實用礦山壓力控制 [M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1988.

[4]張先塵 .中國采煤學(xué) [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2003.

[5]錢鳴高 .礦山壓力及其控制 [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1984.

[6]史 紅,姜福興 .綜放采場上覆厚層堅硬巖層破斷規(guī)律的分析及應(yīng)用 [J].巖土工程學(xué)報,2006,28(4)：525-528.

[7]熊仁欽 .采場頂板大面積冒落的破壞防治 [J].礦山壓力與頂板管理,1995(3)：21-25.

[8]史 紅,姜福興 .采場上覆大厚度堅硬巖層破斷規(guī)律的力學(xué)分析 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(18)：77-81.

[9]石平五,陳文偉 .急斜長壁采場頂板破斷和巖塊運動規(guī)律[J].西安礦業(yè)學(xué)院學(xué)報,1990,10(2)：10-21.

[10]賈光勝,毛德兵 .綜放開采頂煤離層與破壞規(guī)律研究 [J].礦山壓力與頂板管理,2002(2)：34-37.

[責(zé)任編輯：王興庫 ]

Method for Reducing Influence of Geo-stress on Coal Mining

YAN Hai-peng,TANG Zhi,LI Guo-zhen,FENG Rui
(Mechanics&Engineering School,Liaoning University of Engineering&Technology,Fuxin 123000,China)

In order to reducing the influence of geo-stresson coal mining,several methods were put for ward on the basis of geological investigation and the analysis of observation result of underground pressure in mining-face and roadway.They were：rationally designing mining zones and mining sequence,designing roadway without coal pillar,increasing mining speed and selecting rational roadway supporting manner.Application effect was good and safety mining was realized.

geo-stress;underground pressure behavior rule;control method of underground pressure

TD32

A

1006-6225(2011)01-0093-04

2010-09-02

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目 (973計劃)(2010CB226803)。

閻海鵬 (1957-),男,遼寧阜新人,副教授,主要從事煤礦沖擊地壓研究工作。