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        煤巖體力學(xué)性質(zhì)與采礦深度及沖擊地壓條件

        2020-04-08 11:07:30王萬亮
        黑龍江科學(xué) 2020年4期
        關(guān)鍵詞:圍巖深度

        王萬亮

        (七臺(tái)河市不動(dòng)產(chǎn)登記中心,黑龍江 七臺(tái)河 154600)

        1 煤巖體的力學(xué)性質(zhì)與采礦深度的關(guān)系

        隨著開采深度的不斷增加,深井巷道的穩(wěn)定必然成為影響井下生產(chǎn)的重要因素。巖層的自重應(yīng)力、溫度及濕度等隨礦井開采深度的延伸而增大。盡管深部巖體的絕對(duì)強(qiáng)度很高,而因其上述諸因素的影響,也可能出現(xiàn)類似軟巖的問題,造成支護(hù)困難。因?yàn)榈V井開采深度大,巷道圍巖周邊出現(xiàn)高應(yīng)力集中,如果數(shù)值超過圍巖的強(qiáng)度,圍巖內(nèi)裂隙倍增的結(jié)果會(huì)造成圍巖體積的膨脹而被破壞。脹體向巷道空間推移,長(zhǎng)期不能穩(wěn)定,擾動(dòng)范圍較大,支架上的壓力增加,造成巷道支架折粱斷腿,冒頂塌方,使得生產(chǎn)系統(tǒng)被破壞。

        在煤礦生產(chǎn)實(shí)踐中,深井圍巖采準(zhǔn)巷道的破壞方式主要有:中硬強(qiáng)度以下和層理較發(fā)育的圍巖,在各種壓力的共同作用下出現(xiàn)松動(dòng)破壞、松脫壓力造成的支護(hù)失效。同時(shí),軟弱巖石在集中壓力的長(zhǎng)期作用下,出現(xiàn)的體積膨脹、流變變形造成支護(hù)失效。巷道的破壞,在開采淺部時(shí),對(duì)同樣強(qiáng)度的巖石而言,破壞現(xiàn)象并非非常明顯。巷道位置深度是確定巷道穩(wěn)定性的因素,這也與頂、底板巖石的應(yīng)力狀態(tài)息息相關(guān)。

        不同的采礦深度有著不同的煤巖力學(xué)性質(zhì),進(jìn)而決定了各類礦壓特點(diǎn)。例如,采煤工作面前方開采煤層的變形;因其回采而形成的支承壓力的不同及范圍;工作面與采空區(qū)上方“粱”和“拱”的結(jié)構(gòu);巷道頂?shù)装寮皟蓭蛶r石采動(dòng)影響的臨界深度;煤與瓦斯突出、沖擊礦壓出現(xiàn)的頻率;伴隨開采而出現(xiàn)的冒頂、底鼓、煤層擠出等現(xiàn)象,取決于煤巖的強(qiáng)度參數(shù),與采深有直接關(guān)系。

        第一,深度為400 m時(shí),巷幫壓力超過了煤的平均抗壓強(qiáng)度,就會(huì)出現(xiàn)維護(hù)煤幫困難,越深煤被壓縮的程度越大。因其減少了巷幫頂、底板間的摩擦力及頂?shù)装逡平霈F(xiàn)的夾持力,同時(shí)距巷幫深處彈性區(qū)的彈性提高,更易于出現(xiàn)煤的突出,而這與構(gòu)造應(yīng)力相關(guān)。

        第二,軟弱泥巖應(yīng)力超限初次顯現(xiàn)的深度約為600 m,而砂巖則為900 m。從兩巖石的平均強(qiáng)度看,泥巖在14 00 m以下深度方可發(fā)生類似于巖石突出的應(yīng)力超限。在砂巖中,當(dāng)前開采深度內(nèi)一般不發(fā)生這種現(xiàn)象。

        第三,因其砂巖抗壓強(qiáng)度隨采深增加而增加的梯度大,所以在深井的開采中,采取有效措施和方法把巷道布置在堅(jiān)硬的砂巖中。

        第四,在一些礦井及深井,煤巷的比例較大,因此隨采深的增加,避免煤巷片幫會(huì)成為深井開采中的主要問題。深井煤巷的支護(hù)必須加緊進(jìn)行研究。

        第五,在同樣的煤系地層中,頂板發(fā)生斷裂的跨距隨著采煤深度的增大而減少,由于采深越大,煤壓的范圍越大,失控的跨距越大。所以,要通過現(xiàn)場(chǎng)的礦壓觀測(cè),掌握好初次垮落、初次來壓及周期來壓步距,不可類比此礦淺部開采的礦壓參數(shù),以確保礦井安全。

        第六,在有軟底煤層中,大深度巷道的底鼓要比淺部巷道嚴(yán)重得多。

        2 與沖擊地壓密切相關(guān)的自然地質(zhì)條件

        從出現(xiàn)過發(fā)生沖擊地壓的煤層看,都有沖擊地壓現(xiàn)象的記錄;從煤層賦存狀況看,從薄煤層到特厚煤層,傾角可從近水平到急傾斜,煤層的走向變化有單斜的,有褶曲的;從煤層的瓦斯等級(jí)看,有高瓦斯的,有低瓦斯的,等等。發(fā)生沖擊地壓的煤層多種多樣。同時(shí),沖擊地壓的出現(xiàn)也受其外部環(huán)境的影響。

        2.1 采煤深度

        采煤深度因素是沖擊地壓出現(xiàn)的外部因素。沖擊地壓的類型不同,通常出現(xiàn)沖擊地壓的臨界深度為200 m以上。

        東歐某國(guó)曾對(duì)此問題做過試驗(yàn)研究。巷道周邊煤巖應(yīng)力隨采深變化曲線如圖1所示。巷道周邊煤體應(yīng)力隨采深變化情況見表1所列。

        表1 巷道周邊不同抗壓強(qiáng)度煤巖所受應(yīng)力隨采深變化情況Tab.1 Stress of coal and rock with different compressive strength around the roadway changes with mining depth

        從煤的強(qiáng)度看,深度450 m左右,煤體遭到破壞;當(dāng)σcm=20 MPa,深度超過610 m時(shí),煤體遭到破壞;當(dāng)σcm=25 MPa,深度超過750 m時(shí),煤體將遭到破壞;當(dāng)σcm=30 MPa,深度超過880 m時(shí),煤體會(huì)遭到破壞。上述幾種情況的臨界深度充分說明,不同的煤體、臨界深度、煤體會(huì)遭到不同程度的破壞,為煤的擠出甚至突出提供條件。

        圖1 巷道周邊不同抗壓強(qiáng)度煤巖所受應(yīng)力隨采深變化曲線Fig.1 Stress curve of coal and rock with different compressive strength around roadway with mining depth

        2.2 煤層頂?shù)装鍙?qiáng)度

        在頂?shù)装鍙?qiáng)度高的條件下,開采后的懸露面積較大,頂?shù)装宓南鄬?duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)煤體形成夾持作用,在煤體一定深度范圍內(nèi)形成較高支承壓力,促使煤體變形。同時(shí),因頂?shù)装鍙?qiáng)度較高,變形量小,煤體中積聚的能量不易被頂?shù)装逵捎谄扑槎?,容易發(fā)生沖擊地壓。

        2.3 地質(zhì)構(gòu)造

        地質(zhì)構(gòu)造對(duì)沖擊地壓的出現(xiàn)具有較大的影響。當(dāng)采掘接近大斷層時(shí),可能出現(xiàn)強(qiáng)度較大的沖擊地壓,這是由于頂板巖粱被折斷后,失去或減少了傳遞力的聯(lián)系,易于出現(xiàn)應(yīng)力集中和大范圍內(nèi)的頂板活動(dòng),此時(shí)出現(xiàn)沖擊地壓的強(qiáng)度也較大。

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