夹河煤矿深部矿压显现及其控制技术

2010-04-03许云良

采矿与岩层控制工程学报 2010年6期

关键词：矿压采场阻力

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。