沈健

（貴州省水城縣煤碳管理局，貴州 水城 553040）

1 水力采煤礦生產(chǎn)實(shí)踐中礦壓顯現(xiàn)分析

1.1 淺部礦壓顯現(xiàn)

煤礦1996年開采第一水平時,曾對頂板壓力進(jìn)行過觀測。其回采巷道在工作面采動影響下的頂板活動范圍。煤層沿走向的頂板活動范圍為70m左右,其觀測區(qū)的開采深度是在垂深120～130m處。

1.2 隨著開采深度增加,礦壓顯現(xiàn)情況

1993年投產(chǎn)時在-120m水平生產(chǎn),最大開采垂深只有140m左右。此時礦壓顯現(xiàn)不明顯,基本上不是影響生產(chǎn)的主要因素。只是在采區(qū)結(jié)束時回收采區(qū)上山煤柱時才顯現(xiàn)出集中壓力。有時還希望利用礦壓來松動煤體,增加落煤量,這時采區(qū)巷道的維修量很小。-200m水平投產(chǎn)采深加深達(dá)到185m左右,礦壓顯現(xiàn)與-120m相差不多,只是在開采斷層帶附近的煤時礦壓有較大的顯現(xiàn)。

在該地帶掘進(jìn)煤巷時會出現(xiàn)少量的煤炮,巷道支架折損量有所增加,有時因礦壓大而壓垮煤巷,影響正常生產(chǎn)。但在跨巷道采煤時,設(shè)在煤層底板下8～10m的巖巷,仍能保持其巷道的完整性。1998年-340m水平投產(chǎn),最大開采深度達(dá)370m,在這個水平開采比較深的區(qū)域,礦壓顯現(xiàn)增加,表現(xiàn)在煤巷掘進(jìn)和采煤過程中煤炮明顯增加,有時直接影響安全生產(chǎn)。八號采區(qū)、-440采區(qū)投產(chǎn)后,隨著深部地區(qū)的開采,地壓比-340m水平又有所增加。2000年-560m水平投產(chǎn)后,開采區(qū)域垂深在500m左右時煤炮、礦壓顯著加劇。往往由于采場應(yīng)力集中造成煤巷掘進(jìn)施工很困難,有時出現(xiàn)隨掘隨壓垮,頭冒頂頻繁。沿煤層底板掘進(jìn)的煤巷中,在5～6m厚的煤層中掘進(jìn)時出現(xiàn)冒頂,一直冒至頂板巖石。泥巖的偽頂、直接頂有時也隨之冒落,這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生,直接影響安全生產(chǎn)。個別時候以致造成減產(chǎn)或停產(chǎn)。當(dāng)跨巷采煤時,在煤層底板以下10～40m的巖巷,不論使用金屬棚或是砌碹巷道都有被壓垮的可能。

2 采掘過程中的礦壓顯現(xiàn)

2.1 采煤面的礦壓顯現(xiàn)

在深部開采時,有時利用采場頂板壓力達(dá)到松動煤體增加小時落煤量。而到-340m水平以下時,礦壓顯現(xiàn)與淺部開采時不同。在采動影響區(qū)掘進(jìn)水采回采巷道時,常出現(xiàn)如圖1所示的礦壓顯現(xiàn)。當(dāng)掘進(jìn)至距離采空區(qū)停采線20～30m時,礦壓顯現(xiàn)加劇,有時沿底板掘進(jìn)的煤巷發(fā)生嚴(yán)重冒頂。甚至將5～6m厚的煤一直冒至頂板。一旦穿過幾米冒頂區(qū)后礦壓又減小,有時壓力顯現(xiàn)不明顯;有時能在堅(jiān)硬煤體中發(fā)現(xiàn)有0～10mm寬的煤體裂縫。我們認(rèn)為這是由于頂板來壓過程中蓄能受壓縮后的煤體向采空區(qū)的自由面方向推移,使煤體發(fā)生位移的結(jié)果,并伴隨著有定量的下沉后使頂板壓力減小。在離采空區(qū)停采線20～30m處為集中增壓區(qū),蓄積著相當(dāng)大的彈性變形能,使煤被壓松散。它的壓力達(dá)到了煤的強(qiáng)度極限,當(dāng)一遇暴露自由面,就開始卸壓,在卸壓同時產(chǎn)生煤炮,并發(fā)生“拋射性冒頂”。同時因頂板巖石達(dá)到臨界強(qiáng)度,并發(fā)生脆性破碎,所以冒頂連續(xù)發(fā)生,集中壓力在該處顯現(xiàn)。從30m以后是被壓縮區(qū),它蓄聚著部分引力。在厚沙巖頂板開采時,當(dāng)采空面積達(dá)200～300m2時,頂板一次性冒落,形成部分巖體空間,而由冒落的大片巖石頂板又撲壓采空區(qū)的空氣,壓縮空間的空氣,并把大量的空氣擠出采空區(qū)。這時產(chǎn)生“刮風(fēng)”,有時連水帶煤漿高速吹出,隨之大風(fēng)有時能把人吹倒,或把安全帽吹掉。采煤面的礦壓顯現(xiàn),主要表現(xiàn)在支架折損上,表現(xiàn)在側(cè)壓力大,兩幫的支架折損率最高。維修難度大,這時使用U型鋼支護(hù)也困難,特別是受壓后回收非常困難。

2.2 煤層底板內(nèi)巖巷因采動影響而出現(xiàn)的礦壓顯現(xiàn)

煤礦的主要溜煤巷道和運(yùn)輸大巷大部分布置在煤層以下8～40m的底板巖層內(nèi)。在-200m水平以上(垂深約260m)有很多跨大巷采煤實(shí)例,其跨巷采煤而壓壞巷道的次數(shù)不多。當(dāng)開采深度加深至-340、-560、-600m水平(垂深 400～600m)進(jìn)行跨采時,位于煤層以下4～12m的底板巖巷基本上都會被壓垮。在煤層以下更深的巷道基本上也受壓變形。如-340m北大巷位于煤層下20～45m,經(jīng)過802回采工作面跨采后巷道全長700m,幾乎全被壓垮。

2.3 巷道掘進(jìn)時的礦壓顯現(xiàn)

2.3.1 “拋射”冒頂

在礦井深部巖巷掘進(jìn)時,當(dāng)掘進(jìn)至接近見煤(4～6m)時,就發(fā)生有煤炮現(xiàn)象。見煤后容易出現(xiàn)煤層的“拋射”冒頂,在冒頂過程中伴有煤炮,在煤厚6～8m的煤層下掘進(jìn)常出現(xiàn)冒落煤層全厚后又冒落頂板巖石。而且所冒落的煤巖量相當(dāng)大,冒空區(qū)成漏斗形。

2.3.2 煤炮形式

我們認(rèn)為煤炮是因?yàn)閹r體發(fā)生相對運(yùn)動而產(chǎn)生的,有時是在應(yīng)力釋放過程中產(chǎn)生煤炮。如1001回采工作面,初次來壓礦壓顯現(xiàn)時,采空區(qū)總面積已達(dá)5134萬m2,礦壓以逐步加劇的形式顯現(xiàn),主要表現(xiàn)在煤炮數(shù)量和強(qiáng)度急劇增加。煤炮發(fā)生后,預(yù)掘的水采回采巷道遭到了嚴(yán)重的破壞,支架斷棚率達(dá)60%～80%,斷面被壓縮約1/3。地面出現(xiàn)了18條裂縫:其方向平行于采煤工作面走向,縫寬一般為10～70mm,最寬300mm;分布范圍離采空區(qū)邊緣40～160m;隨裂縫出現(xiàn)的塌陷區(qū)長約200m,寬近 100m,深 0.71～1.73m。在懸頂冒落和煤被擠壓之后,礦壓基本上是緊跟回采工作面的推進(jìn)時隱時現(xiàn),強(qiáng)度減小、破壞性減弱。還有一種現(xiàn)象,鉆孔內(nèi)放煤炮。

2.3.3 沖擊地壓

先闡述沖擊地壓的概念,沖擊地壓有幾種說法:

1)沖擊地壓是巖體突然破碎現(xiàn)象,表現(xiàn)為采場或巷道周圍巖體的突然冒落、片幫和底鼓;深部巖體突然破裂;斷層二盤巖體相對位移;煤巖和瓦斯突然拋出等。有些學(xué)者把煤巖和瓦斯突然拋出單獨(dú)列為“突出”。在巖體破碎同時往往還伴隨著聲響、氣浪和震動等。

2)真正的沖擊地壓是煤柱或部分煤(巖)的快速破碎,表現(xiàn)為大量的煤(巖)向井下巷道拋出,并使支架破壞,機(jī)械、設(shè)備、裝置等移動。沖擊伴隨有強(qiáng)烈的聲響,形成大量的粉塵、空氣波和巖體震動。這種震動在地面直徑5～10km范圍內(nèi)一般能感覺到,在距沖擊源數(shù)十甚至數(shù)百公里距離,拾震儀記錄到震動。還有其他的說法,總的特點(diǎn)是:突然和快速、破壞性大、來勢猛。

水力采煤,由于它的特點(diǎn)是采煤面的推進(jìn)不規(guī)整,不是和長壁采煤面一樣形成一條直線,而是形成凹凸不直的采煤面,甚至是有好幾個小半島區(qū)組成,還有在采空區(qū)因回采丟煤,有時存在一些局部煤垛,而起支撐作用,延緩了大面積頂板的冒落、卸壓;還有因開采的停采線的不同而經(jīng)常形成半島區(qū) (局部煤垛形成半島形式深入采空區(qū)),形成應(yīng)力集中點(diǎn)等原因,所以它的沖擊傾向性是大于正規(guī)的長壁采煤工作面的。煤礦的沖擊礦壓形式有以下幾種：a.在厚層砂巖頂板條件下 (30～55mm左右),采空面積到一定范圍后,產(chǎn)生沖擊形式;b.煤層不厚,頂板堅(jiān)硬情況下產(chǎn)生沖擊形式;c.相向采煤,最后開采煤柱時產(chǎn)生沖擊形式;d.在半島區(qū)掘進(jìn)至采空區(qū)15～30m處時有沖擊形式出現(xiàn);e.在第一次大面積落頂時產(chǎn)生沖擊形式,大型煤炮時產(chǎn)生粉塵,這時燈光透明度很低,可使對面看不清人,小塊煤在巷道內(nèi)尤如下雨。

3 有關(guān)問題的分析

采用水力采煤方法發(fā)生的礦壓顯現(xiàn)與其采煤方法的特殊性有關(guān)。這種采煤方法對礦壓來說,有其有利方面,也有其不利方面。它的有利條件是所有采煤工作的工作人員及設(shè)備,都在比較小空間的巷道內(nèi),它不和長壁工作面一樣要又長又大的空間;落煤的空間是采用無支護(hù)控頂,任其自然冒落;采煤的場地,是利用水的射流進(jìn)行的,它不怕冒落的東西砸;所有的水槍及操作人員是在小斷面的巷道內(nèi),總的頂板事故比較少,所以水力采煤方法其安全性整體來說較好。但是水力采煤方法給沖擊地壓的形成也創(chuàng)造了一定的條件,特別是在堅(jiān)硬頂板條件下,是比較明顯的(陶莊礦、礦都有過),礦為了減小沖擊地壓甚至采用過預(yù)掘卸壓巷道。

3.1 提前在應(yīng)力集中區(qū)預(yù)掘巷道,從表面上看,礦壓大、維修量大,但實(shí)際上對削弱沖擊地壓的沖擊強(qiáng)度起到了很好的緩解作用。因?yàn)檫@些已掘的巷道,在應(yīng)力作用下使巷道之間的煤垛發(fā)生變形、推移、破壞,應(yīng)力曲線隨巷道的多少而內(nèi)移,在煤壁破壞的情況下,大型的沖擊傾向性就縮小,在曲線移動過程中出現(xiàn)煤炮,在礦壓作用下煤垛失去彈性能并大量釋放。如果巷道少,煤壁不被破壞,從表面看礦壓不大,實(shí)體煤中的能量大量積蓄,一旦到極限,會瞬間爆發(fā),頂板和煤體的沖擊速率猛烈,這就增大了災(zāi)害的危險性。

3.2 得到大直徑鉆孔卸壓的啟發(fā),既然大直徑鉆孔能卸壓,那么多掘巷道更能卸壓,提前掘進(jìn)后使大片煤體不能積蓄大量的彈性能,大型沖擊傾向就小得多。

3.3 除采取多巷道卸壓外,還應(yīng)嚴(yán)格遵循其它公認(rèn)的預(yù)防措施。另外,對于水力采煤巷道布置,其分段上山宜采用偽傾斜布置;各回采巷道間嚴(yán)格開采順序;回采工作面的停采線應(yīng)與巷道成鈍角。

4 特點(diǎn)和問題

4.1 特點(diǎn)

水采礦壓與它的獨(dú)有的采煤方法直接有關(guān),其礦壓顯現(xiàn)與一般的旱采長壁工作面礦壓顯現(xiàn)不同,在同樣煤巖層條件下,水采工作面礦壓比旱采長壁工作面礦壓大,其特點(diǎn)有以下幾方面:

1)水采工作面不管是走向短壁還是傾斜短壁采煤方法,總是在實(shí)體煤垛內(nèi)掘很多巷道才能開采。因而使煤體在一定范圍內(nèi)減少了彈性能的積蓄,減弱了煤體自身的抗壓能力,故表現(xiàn)礦壓較大

2)開采過程中不使用支護(hù)手段來控制頂板,而由煤體支撐頂板,不是人為地用支柱加以平衡

3)放頂不規(guī)則,不能及時卸壓。水采的短壁工作面的停采線,由于配采和開采順序有超前或滯后的不正規(guī)性,因而采空區(qū)不能形成直線切頂線,有時只是自由冒落成臺階形或其它不規(guī)則形狀,加劇了礦壓顯現(xiàn)

4)水采一次采全高。3～8m厚的煤層一次采出造成采空的空間大,一次性頂板下沉量和活動范圍大,往往由于采高的增加,增大了采空區(qū)冒頂?shù)膭幽?、造成上覆層巖層運(yùn)動加劇,波及范圍擴(kuò)大

5)規(guī)律性不明顯。如初次來壓、周期來壓等,均無一定的規(guī)律

6)煤炭資源回收不均勻。而且在采空區(qū)內(nèi)有不規(guī)則的丟煤,造成支撐性煤柱,影響采空區(qū)放頂卸壓。因此頂板下沉量可能比旱采小,象1001回采工作面最大下沉系數(shù)是0.41,小于一般旱采的0.6～0.8倍。

4.2 問題

4.2.1 在開采淺部硬煤層時,為了增加小時落煤量,可以適當(dāng)縮小回采巷道之間的錯距,并可減小煤垛尺寸,搞小范圍的相向采煤,以增加礦壓、松動煤體、增加小時落煤量。

4.2.2 開采一定范圍后,為了防止沖擊地壓,必須禁止相向采煤,并各回采巷道間的錯距必須保持一致,以便給落頂煤創(chuàng)造一直線的(切頂線)條件。

4.2.3 采面的分段上山或各小區(qū)段的上山,最好布置成偽傾斜上山,這樣形成停采的鈍角線,減小落頂煤與煤垛形成的銳角,減小半島的尖形區(qū),以利減小沖擊傾向性。

4.2.4 要適當(dāng)?shù)赝度氩糠值V壓觀測經(jīng)費(fèi),并加強(qiáng)改進(jìn)支護(hù)方面的手段。以達(dá)到合理支護(hù)和維修、既保安全、又不浪費(fèi)的科學(xué)管理的目的。

5 結(jié)束語

由于煤層比較厚,深部開采時礦壓比較大,至今尚未有好的支護(hù)方式來代替現(xiàn)用的木支護(hù)。前面已述多巷道卸壓是防治沖擊地壓有效方法之一,但其礦壓產(chǎn)生后的維修量是比較大的。

[1]施式亮,王海橋.礦井安全非線性動力學(xué)評價[M].

[2]許滿貴.煤礦動態(tài)綜合安全評價模式及應(yīng)用研究[J].