張 雷,許云良

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008;2.徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司夾河煤礦,江蘇徐州 221167)

夾河煤礦深部礦壓顯現(xiàn)及其控制技術(shù)

張 雷1,2,許云良2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008;2.徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司夾河煤礦,江蘇徐州 221167)

Deep Underground Pressure Behavior and Controlling Technology of Jiahe Colliery

運(yùn)用理論分析與現(xiàn)場觀測相結(jié)合的方法,得到了深部采場初次來壓步距、周期來壓步距、初次來壓強(qiáng)度和周期來壓強(qiáng)度等基本參數(shù),探明了深部采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及來壓特點(diǎn),對徐州礦區(qū)深部采場礦壓控制具有指導(dǎo)作用。

深部采場;礦壓顯現(xiàn);控制技術(shù)

夾河煤礦采深已近 1200m,地應(yīng)力大,礦壓顯現(xiàn)劇烈,沖擊礦壓危險(xiǎn)性增加,礦井生產(chǎn)和職工生命安全受到威脅,深部礦壓規(guī)律亟待研究。

7446工作面走向長 865m,傾向長 175m,煤厚 2.4m,傾角 22°,標(biāo)高 -1050～-1150m,采深1088～1193m。斷層發(fā)育,共揭露斷層 16條,其中落差 3m逆斷層 2條,落差 5m的正斷層 2條,落差 9m的正斷層 1條,對工作面生產(chǎn)影響較大。絕對瓦斯涌出量 18～24m3/min,相對瓦斯涌出量 12～13m3/t,瓦斯壓力 4MPa。采用綜合機(jī)械化采煤工藝,MWG160/375-W型采煤機(jī)、WS1.7-1.3/2.8型掩護(hù)式支架和 SGZ630/220型刮板輸送機(jī)。

1 礦壓觀測

該面采用“煤礦安全數(shù)據(jù)監(jiān)測分析系統(tǒng)”計(jì)算機(jī)軟件及其配套的 YHY-60型測力儀、FCH64/ 0.5型采集器進(jìn)行礦壓觀測分析。

沿工作面布置上、中、下 3個(gè)測站,每個(gè)測站安裝 3臺(tái)測力儀,上下超前各設(shè)置 2個(gè)測站,各安裝 2臺(tái)測力儀。測力儀每隔 5min自動(dòng)記錄 1次數(shù)據(jù),測力儀內(nèi)存 64kB,約能儲(chǔ)存 63h的礦壓數(shù)據(jù),用手持采集器采集數(shù)據(jù)后,將數(shù)據(jù)通過紅外線抄表系統(tǒng)輸入計(jì)算機(jī),利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,輸出支架工作阻力曲線,以此來估計(jì)、監(jiān)測頂板(上覆巖層)的狀態(tài),最終形成以時(shí)間、推進(jìn)距離和阻力為坐標(biāo)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

其余支架安裝 KBY-60(B型)數(shù)字壓力計(jì),每天測量 1次,作為測站觀測數(shù)據(jù)的補(bǔ)充。

經(jīng)礦壓觀測分析,該面基本頂初次來壓步距:工作面中部 22m、上端頭 30m、下端頭 28m,支架工作阻力 2817～2965kN,初次來壓強(qiáng)度 541～569kPa;周期來壓步距 7～8m,支架工作阻力2594～2891kN,周期來壓強(qiáng)度 498～554kPa;距離采場 20m左右即進(jìn)入應(yīng)力增高區(qū)。

2 深部礦壓顯現(xiàn)分析及其控制

2.1 采場礦壓顯現(xiàn)與采深的關(guān)系

2.1.1 頂?shù)装鍘r性與采深的關(guān)系

隨著采深的增加,煤、巖體中的原巖應(yīng)力會(huì)隨之增加。在受到采動(dòng)影響的情況下,三向應(yīng)力狀態(tài)被打破,煤巖體在深部高地應(yīng)力和采動(dòng)壓力的影響下次生裂隙增加,強(qiáng)度降低,出現(xiàn)弱化現(xiàn)象。采深越深,煤、巖體的弱化現(xiàn)象越嚴(yán)重。

2.1.2 煤壁片幫與采深的關(guān)系

煤體出現(xiàn)弱化現(xiàn)象,煤壁在深部高地應(yīng)力和采動(dòng)壓力的影響下,會(huì)發(fā)生片幫現(xiàn)象。在同等條件下,采深增加,片幫程度會(huì)增加;在同等采深條件下,支架支護(hù)強(qiáng)度高,則會(huì)減輕煤壁載荷,煤壁片幫程度會(huì)減輕。當(dāng)支架初撐力不足、支架支護(hù)強(qiáng)度低時(shí),煤壁會(huì)出現(xiàn)片幫現(xiàn)象或片幫程度加劇;反之煤壁片幫現(xiàn)象得到有效控制或片幫現(xiàn)象較輕。

2.2 深部回采巷道控制技術(shù)

2.2.1 深部開采巖石變形特性

在三軸等壓應(yīng)力作用下,巖石的變形特性將受圍壓的影響,其變形特性為:巖石的屈服應(yīng)力隨圍壓的增加而提高;彈性段的斜率變化不大,即彈性模量和泊松比與單軸壓縮下基本相等;在一定臨界圍壓下,出現(xiàn)塑性流動(dòng)現(xiàn)象,如果提高圍壓,不再出現(xiàn)峰值,巖石仍保留一定的承載能力,其應(yīng)力 -應(yīng)變曲線呈單調(diào)增長趨勢。

巖石除了有彈性變形和塑性變形外,還具有流變特性。各種巖土工程都和時(shí)間因素有關(guān),與時(shí)間因素有關(guān)的應(yīng)力變形現(xiàn)象統(tǒng)稱為流變。廣義的巖石時(shí)間效應(yīng)包括加載速率效應(yīng)和流變現(xiàn)象。

采場和巷道圍巖都存在巖石時(shí)間效應(yīng),采場圍巖變形時(shí)間一般只有幾十小時(shí),而回采巷道圍巖的變形時(shí)間長達(dá)幾個(gè)月甚至幾年時(shí)間,準(zhǔn)備巷道和開拓巷道的服務(wù)年限就更長了,在深部高地應(yīng)力作用下,巷道圍巖的流變引起的變形量就很大。隨著采深的增加,巷道的礦壓顯現(xiàn)會(huì)變得劇烈。

2.2.2 深部回采巷道布置及支護(hù)技術(shù)

(1)深部巷道布置 回采巷道礦壓控制的目的就是要在服務(wù)期間內(nèi)使變形量較小,滿足生產(chǎn)的同時(shí),保證維護(hù)量和維修次數(shù)較少。為減輕本采場移動(dòng)支承壓力影響程度,必須加強(qiáng)采場兩巷超前修護(hù),提高支護(hù)強(qiáng)度。在巷道布置上,一要應(yīng)盡可能使回采巷道不受相鄰采場移動(dòng)支承壓力影響,有 2種途徑:一為等相鄰采場移動(dòng)支承壓力影響結(jié)束后再掘巷,二為加大護(hù)巷煤柱寬度;二要使回采巷道盡可能少受或不受相鄰采場固定支承壓力的影響,也有 2種途徑:一為加大護(hù)巷煤柱寬度;二為沿采空區(qū)邊緣掘巷。

(2)深部巷道支護(hù) 深部巷道通常采用錨網(wǎng)梁索聯(lián)合支護(hù)。夾河煤礦的主要措施有:推廣應(yīng)用錨桿施工新工藝,提高錨桿的支護(hù)效果;加密錨桿、錨索,提高支護(hù)強(qiáng)度;使用高強(qiáng)度錨桿 (或等強(qiáng)錨桿)、高強(qiáng)度錨索,適當(dāng)加粗、加長錨桿、錨索,提高錨桿、錨索的破斷力和錨固力,從而提高支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)效果;加強(qiáng)巷道的特殊部位(如肩窩和底角部位)的支護(hù)效果,打好肩窩錨桿和底角錨桿,可以考慮使用蝶狀異形錨桿托盤以提高肩窩錨桿的支護(hù)效果;遇到地質(zhì)條件變化時(shí),應(yīng)根據(jù)條件變化及時(shí)改變支護(hù)方式或采取有效措施,確保支護(hù)效果。

深部巷道只要采取的措施得當(dāng)有效,是可以減少巷道變形量的。免受或少受采動(dòng)影響是避免巷道變形,改善支護(hù)狀況最有效的途徑;在相同的條件下,采取有效的支護(hù)手段和方法,提高支護(hù)強(qiáng)度是減少變形量,改善支護(hù)效果的有效方法。

2.3 沖擊礦壓防治

夾河煤礦 2煤上、9煤及 9煤頂板具有強(qiáng)沖擊性,2煤、7煤及 7煤頂板具有弱沖擊性。因此,隨著采深的加大,沖擊威脅越來越嚴(yán)重。為此,夾河煤礦對沖擊礦壓采取如下防范和解危措施。

(1)防范措施 防范措施有優(yōu)化開拓布置與開采方式,開采解放層。

合理的開拓布置和開采方式對于避免應(yīng)力集中和疊加,防止沖擊礦壓發(fā)生關(guān)系極大。夾河礦生產(chǎn)高度集中在 -1010m西一采區(qū),并出現(xiàn)剃頭開采現(xiàn)象,開拓方式不正確,開采方式不合理。為此,加快 -1010m西二采區(qū)開拓步伐,迅速扭轉(zhuǎn)整個(gè)礦井集中在一個(gè)采區(qū)內(nèi)的局面;同時(shí),加快 -1200m水平開拓步伐,從而避免因生產(chǎn)高度集中而可能產(chǎn)生的應(yīng)力集中和應(yīng)力疊加現(xiàn)象。

開采解放層是防治沖擊礦壓有效和帶根本性的區(qū)域防范措施。夾河礦 7煤和 9煤層間距較小(19.6m),應(yīng)先采 7煤,后采 9煤,而且開采間隔不能超過3年。

(2)解危措施 解危措施有爆壓爆破、煤體注水、鉆孔卸壓、定向裂縫等。

3 深部采場支護(hù)方法及支架選擇

夾河煤礦定位為“兩綜”生產(chǎn)模式,邊角殘煤采用高檔普采或炮采作為補(bǔ)充,深部開采時(shí)以綜合機(jī)械化采煤為主。

液壓支架的選型有 2種方法:系統(tǒng)分析法及綜合評分法。

3.1 液壓支架參數(shù)

對液壓支架設(shè)計(jì)起決定作用的力學(xué)參數(shù)是初撐力和工作阻力。支架的合理支護(hù)強(qiáng)度的確定應(yīng)以支架合理工作阻力、合理初撐力以及兩者的比值為依據(jù)。對于堅(jiān)硬頂板尚需考慮工作面每延米阻力,此值反映支撐力矩的大小。

(1)液壓支架工作阻力 決定支架合理工作阻力的方法主要有:載荷估算法、實(shí)測統(tǒng)計(jì)法及理論分析法等,當(dāng)工作面有明顯基本頂來壓現(xiàn)象時(shí),應(yīng)按來壓期間統(tǒng)計(jì)的支架阻力確定合理工作阻力。

(2)支架初撐力 初撐力在支架參數(shù)中具有重要地位,提高支架初撐力可以減少頂板離層,增強(qiáng)頂板自身強(qiáng)度,增加頂板的穩(wěn)定性;提高支架對機(jī)道頂板的支撐能力,減少工作面頂板端面破碎度及煤壁片幫;壓實(shí)頂梁上及底座下浮矸,提高支撐系統(tǒng)剛度;充分利用支架額定支撐能力,減少頂?shù)装逑鄬σ平?。初撐力的適當(dāng)提高,可以減少支架的增阻值,從而減少頂板下沉量及安全閥開啟率。

3.2 夾河煤礦深部采場支架選型及其使用情況

(1)夾河煤礦深部采場支架選型 夾河煤礦深部采場理應(yīng)選擇具有高支護(hù)阻力、有前探梁和護(hù)幫板、底座面積大、穩(wěn)定性好的掩護(hù)式液壓支架。但由于徐礦集團(tuán)液壓支架大多比較陳舊,而且支架供應(yīng)比較緊張,在進(jìn)行支架選型時(shí)選擇余地很小, 7446工作面所選用的支架為上世紀(jì) 70年代西德生產(chǎn)的液壓支架,型號為WS1.7-1.3/2.8,該套支架已使用 30多年,設(shè)備已相當(dāng)陳舊,在深部開采過程中出現(xiàn)了比較多的問題。

(2)夾河煤礦深部采場支架使用情況 該型支架沒有前探梁和護(hù)幫板,護(hù)幫護(hù)頂效果差,不能及時(shí)有效護(hù)頂護(hù)幫,易造成煤壁片幫、煤壁區(qū)漏冒頂事故,多次發(fā)生煤壁片幫、漏冒頂事故;為了減小端面距,支護(hù)煤壁區(qū)頂板,只有采取超前移架的辦法,工作面大線難于采直。

支架為分底式結(jié)構(gòu),底座面積較小,抗壓入能力差,不能適應(yīng)軟底條件。由于 7446工作面局部地段留底煤回采,支架底座鉆底現(xiàn)象嚴(yán)重。

支架老化嚴(yán)重,造成支架損壞嚴(yán)重,給頂板控制和安全工作帶來威脅。

現(xiàn)場頂板控制亟待加強(qiáng)和提高。現(xiàn)場常出現(xiàn)割煤后不能及時(shí)移架現(xiàn)象,支架初撐力和工作阻力達(dá)不到規(guī)定要求,采場頂板得不到有效支護(hù),加劇頂板惡化,煤壁片幫程度加重。

支架選型時(shí)應(yīng)選擇高支護(hù)阻力、有前探梁和護(hù)幫板、掩護(hù)效果好的支架,支架底座面積也應(yīng)足夠大,以適應(yīng)深部軟底采場條件。

4 結(jié)束語

通過礦壓觀測分析研究,確定了深部礦壓顯現(xiàn)及其控制技術(shù),基本解決了深部礦壓顯現(xiàn)及其控制方面的一些主要技術(shù)問題。找出了礦壓與采深的關(guān)系,即 -1000～-1200m的深部采場周期來壓明顯,來壓步距縮短,為深部礦壓控制提供了依據(jù)。

[1]錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制 [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[2]陳炎光,陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制 [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1994.

[責(zé)任編輯:李宏艷]

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1006-6225(2010)06-0080-03

2010-04-29

張 雷 (1980-),男,山東微山人,注冊安全工程師,采礦工程師,在讀碩士,現(xiàn)任夾河煤礦礦長助理。