煤矿采空区顶板防控技术研究

惠兴田 王 博

(西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西省西安市,710054)

★煤炭科技·开拓与开采 ★

煤矿采空区顶板防控技术研究

惠兴田 王 博

(西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西省西安市,710054)

提出了通过建立密闭墙和释放井的方法对采空区进行处理的采空区顶板控制方法,并通过实例介绍了密闭墙结构的确定方法,并对密闭墙进行了受力分析。同时对释放井的直径也进行了设计计算。

采空区处理 密闭墙 释放井 结构设计 布置

AbstractThis paper proposes the erection of sealing walls and pressure releasing shafts as a treatment to underground coal mine gob areas.Through the use of actual cases,the paper presents methods to determine the structure of sealing wall as well as an analysis of the stress situation of the sealing walls when they are exposed to extreme forces.Besides,calculation is also carried out in this paper for the design of the diameters of such releasing shafts.

Key wordsgob area treatment,sealing wall,releasing shaft,structure design,arrangement

我国不少煤矿经多年开采,其采空区存在重大隐患,特别是采用房柱法开采的矿井,当坚硬顶板在长时间的悬空后,随着煤柱的变形破坏会出现顶板冒落的现象。当冒落的顶板面积较大时,会在巷道中产生破坏性极大的暴风,给矿区的安全生产带来了严重危害。

1 采空区顶板冒落成因

煤矿采空区顶板冒落的现象主要发生在采用房柱法开采并且顶板坚硬完整的回采工作面。冒落现象的产生主要是由两个因素造成,顶板破坏和煤柱变形。

顶板破坏主要是由于当开采过后,坚硬顶板大面积暴露,顶板在自重的作用下产生弯曲现象,当弯曲应力超过了强度极限时,便会在顶板内出现裂隙,随着裂隙的增多,最终贯穿顶板,致使顶板突然冒落。

煤柱变形是由于开采后时间较长,煤柱逐渐松动,自身强度降低,当煤柱强度小于其所受顶板应力时,煤柱就会被压垮。

2 采空区顶板冒落的危害

采空区冒落所产生的破坏可以分为静态破坏和动态破坏两种。静态破坏是指当采空区顶板整体垮落后,巷道体积变坏,进而造成巷道内压力增高,发生高压冲击破坏。动态破坏是指当采空区顶板突然跨落后,由于时间短,会把采空区的空气瞬间压出,形成暴风,产生极大破坏力。

我国熊仁钦教授将巷道内空气假定为理想流体,利用伯努利方程推导出暴风产生的作用力:

式中:kD——阻力系数;

S——物体的横断面积,m2;

ρD——冒落顶板岩层的密度,kg/m3;

H0——冒落顶板岩层的厚度,m;

k——折减系数,一般取0.4。

3 采空区顶板防控技术原理

为降低采空区顶板突然大面积的垮落所带来的危害,顶板防控技术应遵循强堵快释的原则。强堵是指通过建筑密闭墙体结构把采空区和生产区隔离,依靠密闭墙承受静态和动态两种破坏形式,确保井下安全。密闭墙的设计应以双混凝土墙+缓冲段为主。快释是当顶板短时间大面积垮落形成暴风时,通过专门释放井,使采空区与地面相通,将形成的暴风引导至地面,避免进入生产区域。

4 实例设计

2008年12月3日神木县大柳塔镇后柳塔煤矿井下发生大面积冒顶事故。在距主井口约870～990 m段运输大巷西侧,由南向北分别有4、5、6号密闭墙受损,其中4号密闭墙受损较轻,未被冲垮,密闭墙中部有不规则横向裂缝,裂缝达1～3 cm,5、6号密闭墙完全被冲垮。

根据事故勘察报告,决定对此采空区采取设置密闭墙+双释放井的技术措施。

4.1 密闭墙设计

考虑建造2道密闭墙,中间留有注浆缓冲空间的结构,通过密闭墙上预留设的注浆孔向两道密闭墙体间注入缓冲材料。密闭墙为混凝土墙,缓冲材料为新型罗克休材料。采用罗克休材料是考虑当顶板压力过大时,新型材料罗克休会被缓慢压缩,密闭墙体由原来的刚性抗压变为让压,减少冲击波的能量,确保墙体不会产生裂缝。

同时根据《矿井密闭防灭火技术规范》的要求,密闭墙位置的选择应在确保施工安全的条件下进行密闭,选择动压影响小、围岩稳定、巷道整齐,密闭外侧距离巷口应有45 m的距离。综合考虑密闭墙位置,决定在距巷道回风流出口3～5 m处建立密闭墙。

4.1.1 密闭墙厚度的确定

密闭墙材料采用C20混凝土,其材料强度按设计规范取用。C20混凝土轴心抗压强度10 MPa,抗剪强度1.25 MPa。

密闭墙结构厚度计算公式可以根据《采矿设计手册》硐室密闭墙的设计规范中结构厚度进行推算。

按抗剪强度计算:

式中:fc——混凝土设计抗剪强度,MPa;

H——密闭墙厚度,m;

a——密闭墙所在巷道的净宽度,m;

b——密闭墙所在巷道的净高度,m;

P——密闭墙上所承受的压力,Pa。

经过计算得出,密闭墙厚度为0.89 m,所以该采空区密闭墙混凝土厚度定为1 m,即符合煤矿安全生产要求。

4.1.2 密闭墙的动态受压分析

假定当工作面采空区有2 m厚的顶板大面积冒落时,若密闭墙长、宽尺寸分别为5.2 m和2.9 m,则根据公式 (1)计算得出当顶板大面积下落形成的暴风作用在密闭墙上的临界冲击力约为244 kN,远小于密闭墙抗压强度。

4.1.3 密闭墙静态受压分析

密闭墙的静态受压可以看作是顶板大面积下落,巷道体积变化,造成巷道内空气压缩,使密闭墙受到的压力增加。假设体积变化之比为3∶1,根据状态方程:

式中:p1——顶板冒落瞬间作用在密闭墙上的压力,Pa;

p2——体积变化后作用在密闭墙上的压力,

Pa;

V1——采空区原体积,m3;

V2——变化后的体积,m3。

又:

式中:p1——为顶板冒落瞬间作用在密闭墙上的压力,Pa;

ρD——为冒落顶板岩层的密度,kg/m3;

H0——为冒落顶板岩层的厚度,m;

ρ0——理想流体密度,kg/m3;

H1——密闭墙巷道长度,取50 m。

代入公式 (3)算出p2=154940 Pa,密闭墙尺寸为5.2 m×2.9 m,则作用在密闭墙静态压力为10.329 kN,满足安全要求。

4.2 释放井设计

当采空区顶板大面积来压范围较大时,为保证密闭墙不被来压所形成的暴风摧毁,可以考虑在地面垂直钻孔至采空区顶板,形成释放井,降低密闭墙所受压力。

释放井直径计算:

式中:L——钻孔中煤层部分长度,m;

X0——煤层原始瓦斯含量,为煤的瓦斯含量系数;

P0——煤层原始瓦斯压力,MPa;

X1——煤层安全容许瓦斯含量,X1=a;

Q0——巷道极限瓦斯量,m3。

通过计算可以确定该采空区释放井的直径约为1 m,释放井的布置原则应靠近密闭墙,但是为了防止煤自燃,释放井可以选择在距离密闭墙10 m左右的位置。如为双释放井设计,两释放井间距6～8 m。

5 结论

采空区顶板大面积来压其主要危险是由于顶板大面积冒落而形成静态和动态破坏,随着采空区面积的增大,危害也越大。从采取技术措施上看,建筑密闭墙阻隔暴风和打地面垂直钻孔释放井释放采空区内的暴风都是可行的。

[1]熊仁钦.顶板大面积来压破坏机理的研究 [J].煤炭学报,1995(S1)

[2]郑学敏.大型采空区井下密闭墙设计 [J].金属矿山, 2002(12)

[3]钱鸣高,刘听成.矿山压力及其控制 [M].北京:煤炭工业出版社,1991

[4]魏德宁.煤矿新型永久密闭研究与稳定性分析 [J].煤炭技术,2009(1)

(责任编辑 张毅玲)

On coal mine gob roof protection and control technology

Hui Xingtian,Wang Bo
(School of Architecture and Civil Engineering,Xi’an University of Science and Technology, Xi’an,Shaanxi province 710054,China)

惠兴田 (1958-),男,汉族,陕西大荔人,副教授,硕士,1982年毕业于西安矿业学院,现在西安科技大学任教,主要研究岩土锚固技术和煤矿工作面巷道施工技术,发表论文30余篇,专著1本,教材1本。

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