淺析煤礦回采工作面礦壓與頂板管理鑒賞

1、科技信息1.礦山壓力及其危害地下巖體在采動以前,由于自重的作用在其內(nèi)部引起的應(yīng)力,通稱為原巖應(yīng)力。因?yàn)殚_采前的巖體處于靜止?fàn)顟B(tài),當(dāng)開掘巷道或進(jìn)行回采工作時(shí),破壞了原來的應(yīng)力平衡狀態(tài),引起巖體內(nèi)部的應(yīng)力重新分布。重新分布后的應(yīng)力超過煤、巖的極限強(qiáng)度時(shí)使巷道和回采工作面周圍的煤、巖發(fā)生破壞,這種狀態(tài)將持續(xù)到煤、巖內(nèi)部再次形成新的應(yīng)力平衡為止。此時(shí),巷道和回采工作面周圍煤、巖體內(nèi)形成一個與原巖應(yīng)力場顯然不同的新的應(yīng)力場,稱為二次應(yīng)力場。其形成過程就是煤、巖體中應(yīng)力重新分布的過程。這種由于采掘活動而在井巷、硐室及回采工作面周圍煤、巖體中和支護(hù)物上所引起的力,就叫做“礦山壓力”。在礦山壓力作用下,將引起

2、一系列力學(xué)現(xiàn)象,如圍巖變形或擠入巷道、巖體離散、移動或冒落,煤被壓松、片幫或突然拋出,支架變形、壓裂或折斷,充填物產(chǎn)生沉縮以及巖層和地表發(fā)生移動或塌陷等。這些由于礦山壓力作用,使圍巖、煤體和各種人工支撐物產(chǎn)生的種種力學(xué)現(xiàn)象統(tǒng)稱為“礦山壓力顯現(xiàn)”。礦山壓力顯現(xiàn)會給地下開采工作造成不同程度的危害,影響正常的開采工作和安全生產(chǎn),造成工作面垮塌,發(fā)生人員傷亡事故”。2.回采工作面頂板分類工作面支護(hù)與采空區(qū)處理的基本任務(wù),就是有效地控制圍巖的變形與破壞,創(chuàng)造安全的工作空間。由于回采工作面支護(hù)主要是控制頂板巖層,所以把工作面支護(hù)與采空區(qū)處理統(tǒng)稱為頂板管理。根據(jù)頂板巖層與煤層的相對位置及其特性,可將頂板巖層

3、分為以下三類:(1偽頂。直接位于煤層之上、厚度不大、極易垮落的巖層,經(jīng)常在落煤時(shí)即隨同垮落。偽頂多由炭質(zhì)頁巖等組成,厚度一般在0.3-0.5m以下。(2直接頂。直接位于偽頂或煤層之上的一層或數(shù)層巖層,常由泥質(zhì)頁巖、頁巖、砂質(zhì)頁巖等組成。多數(shù)情況下,當(dāng)回撤工作面支架后,直接頂即隨之垮落。少數(shù)情況下,直接頂也可能是較難垮落的巖層。(3老頂。位于直接頂上方一定距離內(nèi)的厚而堅(jiān)硬的巖層,有時(shí)也可能直接位于煤層之上,常由砂巖、石灰?guī)r、砂礫巖等組成。一般情況下,老頂能在采空區(qū)上方維持很大的懸露面積,而不隨直接頂一起垮落。從頂板管理的角度,可把頂板大體上歸納為5種:(1易垮落的松軟頂板。直接頂巖層基本上都是較

4、易垮落的巖層,回柱后頂板即能垮落,垮落的巖塊能充滿采空區(qū),可較好地支撐上覆巖層。(2中等垮落性頂板。直接頂為松軟巖層,厚度不大,一般小于煤層采高的2-4倍,能隨回柱而垮落,但因垮落的厚度小,不能充滿采空區(qū)。(3難垮落的堅(jiān)硬頂板。老頂巖層直接覆蓋在煤層之上,不隨回柱而垮落。(4極難垮落的堅(jiān)硬頂板。煤層上面覆蓋著厚度很大極為堅(jiān)硬的整體性巖層,在采區(qū)懸露幾個甚至上萬平方米而不垮落。(5塑性彎曲的頂板。直接頂是具有一定厚度的較堅(jiān)硬巖層,回柱后并不垮落,而呈塑性彎曲下沉,逐漸與底板相接觸。這類頂板常由塑性較大的石灰?guī)r、砂巖組成。3.回采工作面頂板控制存在的問題頂板管理是煤礦開采的主要技術(shù)之一,礦壓顯現(xiàn)規(guī)

5、律及其控制技術(shù)是我國煤礦開采迫切需要解決的課題,該課題的研究對我國煤炭工業(yè)持續(xù)發(fā)展具有重要意義。尤其隨著礦井開采深度的增大,采場控制問題更加突出,如煤壁片幫、偽頂、偽底和高地壓破碎造成總體剛度下降,無支護(hù)空間擴(kuò)大,支護(hù)系統(tǒng)剛度降低,有效工作阻力得不到保障,支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題,煤體應(yīng)力增大,煤體變形和積聚的彈性潛能也增大等等都給頂板管理帶來直接困難。因此,必須在掌握回采工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的基礎(chǔ)上,研究頂板事故的致因并采取超前預(yù)防措施。(1采煤工藝落后,頂板管理不到位。南方很多的煤礦中除小部分國有煤礦外,井下巷道與回采工作面支護(hù)方式采用木支護(hù),支護(hù)強(qiáng)度低,初撐力達(dá)不到要求,工作面回采工藝仍然采用

6、巷道式,頂板管理方式落后,事故頻發(fā),傷亡比重較大。(2煤壁片幫,控頂面積擴(kuò)大。煤壁片幫的影響因素:支護(hù)強(qiáng)度低,或臨時(shí)支護(hù)不及時(shí),導(dǎo)致控頂距加大,煤體受到的應(yīng)力增大,致使煤層破碎煤壁片幫。煤層節(jié)理裂隙等弱面分布在地質(zhì)破碎帶。在工作面推進(jìn)速度較慢的情況下,如果遇落差較大的斜交斷層,會誘發(fā)大面積片幫。煤壁處的支承壓力,在煤層上部有頂板壓力存在,支承壓力升高造成片幫事故。工作面推進(jìn)速度。工作面推進(jìn)速度慢,則頂板壓力對工作面煤壁作用時(shí)間充分,容易導(dǎo)致片幫。采深的影響。采深的增加直接導(dǎo)致煤體受到的原巖應(yīng)力增大,從而使煤層更容易破碎致使煤壁片幫。(3支柱的有效工作阻力得不到保障。頂?shù)装寰哂凶銐虻目箟喝肽芰κ?/p>

7、支架或支柱能夠正常發(fā)揮設(shè)計(jì)能力的關(guān)鍵。頂?shù)装蹇箟喝肽芰υ礁?支架和支柱與圍巖的總剛度越大,支護(hù)設(shè)計(jì)性能發(fā)揮越好。在地壓作用下,偽頂、偽底的存在必然導(dǎo)致支護(hù)總體剛度及有效工作阻力的下降。(4支護(hù)穩(wěn)定性問題比較突出。當(dāng)煤層頂板為復(fù)合型頂板時(shí),由于支架穩(wěn)定性、支護(hù)不到位或頂板裂隙的影響,頂板巖層中就會出現(xiàn)與上位硬巖離層。因局部冒頂或別的因素影響,斷塊有可能沿煤層層面傾斜方向向下移動,從而產(chǎn)生對支架或支柱向下的推力。煤層傾角越大,推力越大,支架或支柱也最容易被推倒。當(dāng)工作面仰斜布置時(shí),頂板巖石斷塊就有可能沿層面向老塘方向運(yùn)動,而推倒支架或支柱,造成工作面大面積冒頂,導(dǎo)致頂板事故發(fā)生。(5懸頂面積大,易

8、發(fā)生推垮型事故。原因是支架或支柱:液壓泵站壓力不夠,支架或支柱的支承力難以平衡支架或支柱上方垮落帶巖石的重量;支架或支柱初撐力不能有效地切斷直接頂,不能使直接頂與老頂分離;支架或支柱可縮性不強(qiáng),難以適應(yīng)巖層的下沉;工作面支柱數(shù)量不足,支柱的支承力難以平衡支柱上方垮落帶巖石的重量。(6礦壓觀測工作開展不到位。(7沖擊地壓影響。采場周圍的圍巖一般受到上覆巖層的自重應(yīng)力、煤柱引起的支承壓力、堅(jiān)硬頂板斷裂失穩(wěn)產(chǎn)生的巨大沖擊力,也就是說前面兩種應(yīng)力的藕合疊加形成高應(yīng)力場,在該高應(yīng)力場中,一旦堅(jiān)硬頂板斷裂失穩(wěn),所產(chǎn)生的巨大的瞬間沖擊力將誘發(fā)采場中的能量釋放,而產(chǎn)生沖擊地壓。如果回采工作面還存在斷層或構(gòu)造等

9、的附加應(yīng)力,沖擊地壓的發(fā)生的幾率將會增大,而且強(qiáng)度也更加劇烈。沖擊地壓在深部礦井尤其堅(jiān)硬頂板條件下發(fā)生的幾率遠(yuǎn)大于中、淺部礦井的煤層,而且強(qiáng)度和危害程度也明顯增大。4.煤礦頂板管理存在的主要問題隨著礦井開采深度增大,給頂板管理和頂板事故帶來了一系列的問題,這些問題主要包括以下幾個方面:(1頂?shù)装鍘r性不穩(wěn)定。頂板破碎,構(gòu)造復(fù)雜。回采工作面頂板管理難度加大。(2地壓增大。礦井的采深加大,地應(yīng)力加大,回采工作面頂板支護(hù)更加困難。(3深部開采沖擊地壓危害增加。隨著煤礦開采年代的延長,我國煤礦現(xiàn)采工作面的自然條件越來越差,現(xiàn)有的技術(shù)裝備還不能完全更新配套,職工隊(duì)伍技術(shù)素質(zhì)相對還比較低。因此,煤礦必須從技

10、術(shù)裝備、人員素質(zhì)、管理措施等方面來解決頂板事故等一系列技術(shù)、管理難題。5.工作面不同結(jié)構(gòu)頂板的控制方法針對不同結(jié)構(gòu)形式的頂板可采用與各主采煤層工作面相適應(yīng)的頂板控制方法。(1類拱式結(jié)構(gòu)頂板的控制這種頂板結(jié)構(gòu)的控制原則是“支與護(hù)”并重,一是采用支護(hù)強(qiáng)度,能夠平衡工作空間及采空區(qū)上方類拱結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)條件,采用的支柱初撐力,應(yīng)能平衡直接頂?shù)膸r重,并采用塑料網(wǎng)護(hù)頂,保持直接頂?shù)耐暾浴?2拱梁式結(jié)構(gòu)頂板的控制該種結(jié)構(gòu)頂板的控制原則主要是“支”。也就是說,確定的支護(hù)強(qiáng)度首先支住直接頂?shù)膸r重,盡量減少直接頂與基本頂之間的離層,并能平衡工作空間及采空區(qū)上方拱梁式結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)條件。(3梁式結(jié)構(gòu)頂板的控制這種結(jié)構(gòu)的

11、頂板控制原則主要是“支與讓”,支柱的可縮量應(yīng)能適應(yīng)梁式結(jié)構(gòu)和拱梁式結(jié)構(gòu)并存條件下的基本頂?shù)臄嗔严鲁?。直接頂較完整堅(jiān)硬時(shí)應(yīng)采取強(qiáng)制放頂方法處理頂板,減少來壓強(qiáng)度。(4整體塌垮式結(jié)構(gòu)頂板的控制由于整體塌垮式結(jié)構(gòu)頂板的周期性不明顯,主要是工作面的主裂隙發(fā)育方向與工作面方向平行時(shí),使彎壞的頂板變?yōu)榧羟衅茐?直接頂較薄的局部區(qū)域,基本頂形成塌垮式結(jié)構(gòu)。對這種頂板的控制原則重點(diǎn)是“支”。但前提條件是,采用強(qiáng)強(qiáng)放頂弱化頂板的來壓強(qiáng)度。再就是將工作面的方向與裂隙方向之間的夾角調(diào)至12度以上,以此使確定的支護(hù)強(qiáng)度平衡工作空間及采空區(qū)的壓力,避免局部整體塌垮式結(jié)構(gòu)的形成。6.建議由于很多煤礦已進(jìn)入深部開采,給回采工作面的正常開采和頂板管理造成了較大困難。同時(shí),在頂板管理中也出現(xiàn)了一此難題。如礦井深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)特殊的煤層工作面出現(xiàn)的底板變形壓力和復(fù)合頂板的動壓控制問題;底板破壞深度與礦壓顯現(xiàn)的關(guān)系;下部煤層瓦斯壓力與礦壓顯現(xiàn)的關(guān)系;底板沖擊地壓的機(jī)理及其控制途徑的研究;礦井深部復(fù)雜地質(zhì)條件下的煤層開采與頂板控制等問題,都是現(xiàn)場頂板管理研究中需要解決的一些重要課題。因此,這些已進(jìn)入深部開采的煤礦,要與科研單位合