夹河煤矿深部矿压显现及其控制技术

张 雷,许云良

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221008;2.徐州矿务集团有限公司夹河煤矿,江苏徐州 221167)

夹河煤矿深部矿压显现及其控制技术

张 雷1,2,许云良2

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221008;2.徐州矿务集团有限公司夹河煤矿,江苏徐州 221167)

Deep Underground Pressure Behavior and Controlling Technology of Jiahe Colliery

运用理论分析与现场观测相结合的方法,得到了深部采场初次来压步距、周期来压步距、初次来压强度和周期来压强度等基本参数,探明了深部采场矿压显现规律及来压特点,对徐州矿区深部采场矿压控制具有指导作用。

深部采场;矿压显现;控制技术

夹河煤矿采深已近 1200m,地应力大,矿压显现剧烈,冲击矿压危险性增加,矿井生产和职工生命安全受到威胁,深部矿压规律亟待研究。

7446工作面走向长 865m,倾向长 175m,煤厚 2.4m,倾角 22°,标高 -1050～-1150m,采深1088～1193m。断层发育,共揭露断层 16条,其中落差 3m逆断层 2条,落差 5m的正断层 2条,落差 9m的正断层 1条,对工作面生产影响较大。绝对瓦斯涌出量 18～24m3/min,相对瓦斯涌出量 12～13m3/t,瓦斯压力 4MPa。采用综合机械化采煤工艺,MWG160/375-W型采煤机、WS1.7-1.3/2.8型掩护式支架和 SGZ630/220型刮板输送机。

1 矿压观测

该面采用“煤矿安全数据监测分析系统”计算机软件及其配套的 YHY-60型测力仪、FCH64/ 0.5型采集器进行矿压观测分析。

沿工作面布置上、中、下 3个测站,每个测站安装 3台测力仪,上下超前各设置 2个测站,各安装 2台测力仪。测力仪每隔 5min自动记录 1次数据,测力仪内存 64kB,约能储存 63h的矿压数据,用手持采集器采集数据后,将数据通过红外线抄表系统输入计算机,利用计算机软件进行数据分析,输出支架工作阻力曲线,以此来估计、监测顶板(上覆岩层)的状态,最终形成以时间、推进距离和阻力为坐标的矿压显现规律。

其余支架安装 KBY-60(B型)数字压力计,每天测量 1次,作为测站观测数据的补充。

经矿压观测分析,该面基本顶初次来压步距:工作面中部 22m、上端头 30m、下端头 28m,支架工作阻力 2817～2965kN,初次来压强度 541～569kPa;周期来压步距 7～8m,支架工作阻力2594～2891kN,周期来压强度 498～554kPa;距离采场 20m左右即进入应力增高区。

2 深部矿压显现分析及其控制

2.1 采场矿压显现与采深的关系

2.1.1 顶底板岩性与采深的关系

随着采深的增加,煤、岩体中的原岩应力会随之增加。在受到采动影响的情况下,三向应力状态被打破,煤岩体在深部高地应力和采动压力的影响下次生裂隙增加,强度降低,出现弱化现象。采深越深,煤、岩体的弱化现象越严重。

2.1.2 煤壁片帮与采深的关系

煤体出现弱化现象,煤壁在深部高地应力和采动压力的影响下,会发生片帮现象。在同等条件下,采深增加,片帮程度会增加;在同等采深条件下,支架支护强度高,则会减轻煤壁载荷,煤壁片帮程度会减轻。当支架初撑力不足、支架支护强度低时,煤壁会出现片帮现象或片帮程度加剧;反之煤壁片帮现象得到有效控制或片帮现象较轻。

2.2 深部回采巷道控制技术

2.2.1 深部开采岩石变形特性

在三轴等压应力作用下,岩石的变形特性将受围压的影响,其变形特性为:岩石的屈服应力随围压的增加而提高;弹性段的斜率变化不大,即弹性模量和泊松比与单轴压缩下基本相等;在一定临界围压下,出现塑性流动现象,如果提高围压,不再出现峰值,岩石仍保留一定的承载能力,其应力 -应变曲线呈单调增长趋势。

岩石除了有弹性变形和塑性变形外,还具有流变特性。各种岩土工程都和时间因素有关,与时间因素有关的应力变形现象统称为流变。广义的岩石时间效应包括加载速率效应和流变现象。

采场和巷道围岩都存在岩石时间效应,采场围岩变形时间一般只有几十小时,而回采巷道围岩的变形时间长达几个月甚至几年时间,准备巷道和开拓巷道的服务年限就更长了,在深部高地应力作用下,巷道围岩的流变引起的变形量就很大。随着采深的增加,巷道的矿压显现会变得剧烈。

2.2.2 深部回采巷道布置及支护技术

(1)深部巷道布置 回采巷道矿压控制的目的就是要在服务期间内使变形量较小,满足生产的同时,保证维护量和维修次数较少。为减轻本采场移动支承压力影响程度,必须加强采场两巷超前修护,提高支护强度。在巷道布置上,一要应尽可能使回采巷道不受相邻采场移动支承压力影响,有 2种途径:一为等相邻采场移动支承压力影响结束后再掘巷,二为加大护巷煤柱宽度;二要使回采巷道尽可能少受或不受相邻采场固定支承压力的影响,也有 2种途径:一为加大护巷煤柱宽度;二为沿采空区边缘掘巷。

(2)深部巷道支护 深部巷道通常采用锚网梁索联合支护。夹河煤矿的主要措施有:推广应用锚杆施工新工艺,提高锚杆的支护效果;加密锚杆、锚索,提高支护强度;使用高强度锚杆 (或等强锚杆)、高强度锚索,适当加粗、加长锚杆、锚索,提高锚杆、锚索的破断力和锚固力,从而提高支护强度和支护效果;加强巷道的特殊部位(如肩窝和底角部位)的支护效果,打好肩窝锚杆和底角锚杆,可以考虑使用蝶状异形锚杆托盘以提高肩窝锚杆的支护效果;遇到地质条件变化时,应根据条件变化及时改变支护方式或采取有效措施,确保支护效果。

深部巷道只要采取的措施得当有效,是可以减少巷道变形量的。免受或少受采动影响是避免巷道变形,改善支护状况最有效的途径;在相同的条件下,采取有效的支护手段和方法,提高支护强度是减少变形量,改善支护效果的有效方法。

2.3 冲击矿压防治

夹河煤矿 2煤上、9煤及 9煤顶板具有强冲击性,2煤、7煤及 7煤顶板具有弱冲击性。因此,随着采深的加大,冲击威胁越来越严重。为此,夹河煤矿对冲击矿压采取如下防范和解危措施。

(1)防范措施 防范措施有优化开拓布置与开采方式,开采解放层。

合理的开拓布置和开采方式对于避免应力集中和叠加,防止冲击矿压发生关系极大。夹河矿生产高度集中在 -1010m西一采区,并出现剃头开采现象,开拓方式不正确,开采方式不合理。为此,加快 -1010m西二采区开拓步伐,迅速扭转整个矿井集中在一个采区内的局面;同时,加快 -1200m水平开拓步伐,从而避免因生产高度集中而可能产生的应力集中和应力叠加现象。

开采解放层是防治冲击矿压有效和带根本性的区域防范措施。夹河矿 7煤和 9煤层间距较小(19.6m),应先采 7煤,后采 9煤,而且开采间隔不能超过3年。

(2)解危措施 解危措施有爆压爆破、煤体注水、钻孔卸压、定向裂缝等。

3 深部采场支护方法及支架选择

夹河煤矿定位为“两综”生产模式,边角残煤采用高档普采或炮采作为补充,深部开采时以综合机械化采煤为主。

液压支架的选型有 2种方法:系统分析法及综合评分法。

3.1 液压支架参数

对液压支架设计起决定作用的力学参数是初撑力和工作阻力。支架的合理支护强度的确定应以支架合理工作阻力、合理初撑力以及两者的比值为依据。对于坚硬顶板尚需考虑工作面每延米阻力,此值反映支撑力矩的大小。

(1)液压支架工作阻力 决定支架合理工作阻力的方法主要有:载荷估算法、实测统计法及理论分析法等,当工作面有明显基本顶来压现象时,应按来压期间统计的支架阻力确定合理工作阻力。

(2)支架初撑力 初撑力在支架参数中具有重要地位,提高支架初撑力可以减少顶板离层,增强顶板自身强度,增加顶板的稳定性;提高支架对机道顶板的支撑能力,减少工作面顶板端面破碎度及煤壁片帮;压实顶梁上及底座下浮矸,提高支撑系统刚度;充分利用支架额定支撑能力,减少顶底板相对移近量。初撑力的适当提高,可以减少支架的增阻值,从而减少顶板下沉量及安全阀开启率。

3.2 夹河煤矿深部采场支架选型及其使用情况

(1)夹河煤矿深部采场支架选型 夹河煤矿深部采场理应选择具有高支护阻力、有前探梁和护帮板、底座面积大、稳定性好的掩护式液压支架。但由于徐矿集团液压支架大多比较陈旧,而且支架供应比较紧张,在进行支架选型时选择余地很小, 7446工作面所选用的支架为上世纪 70年代西德生产的液压支架,型号为WS1.7-1.3/2.8,该套支架已使用 30多年,设备已相当陈旧,在深部开采过程中出现了比较多的问题。

(2)夹河煤矿深部采场支架使用情况 该型支架没有前探梁和护帮板,护帮护顶效果差,不能及时有效护顶护帮,易造成煤壁片帮、煤壁区漏冒顶事故,多次发生煤壁片帮、漏冒顶事故;为了减小端面距,支护煤壁区顶板,只有采取超前移架的办法,工作面大线难于采直。

支架为分底式结构,底座面积较小,抗压入能力差,不能适应软底条件。由于 7446工作面局部地段留底煤回采,支架底座钻底现象严重。

支架老化严重,造成支架损坏严重,给顶板控制和安全工作带来威胁。

现场顶板控制亟待加强和提高。现场常出现割煤后不能及时移架现象,支架初撑力和工作阻力达不到规定要求,采场顶板得不到有效支护,加剧顶板恶化,煤壁片帮程度加重。

支架选型时应选择高支护阻力、有前探梁和护帮板、掩护效果好的支架,支架底座面积也应足够大,以适应深部软底采场条件。

4 结束语

通过矿压观测分析研究,确定了深部矿压显现及其控制技术,基本解决了深部矿压显现及其控制方面的一些主要技术问题。找出了矿压与采深的关系,即 -1000～-1200m的深部采场周期来压明显,来压步距缩短,为深部矿压控制提供了依据。

[1]钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制 [M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.

[2]陈炎光,陆士良.中国煤矿巷道围岩控制 [M].徐州:中国矿业大学出版社,1994.

[责任编辑:李宏艳]

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1006-6225(2010)06-0080-03

2010-04-29

张 雷 (1980-),男,山东微山人,注册安全工程师,采矿工程师,在读硕士,现任夹河煤矿矿长助理。