布尔台区域巷道形变原因分析及解决方案

曹 军

神东煤炭集团寸草塔二矿 内蒙古 鄂尔多斯017209

0 引言

布尔台区域42煤生产期间由于矿山压力大,造成工作面来压时顶板下沉量大、巷道形变严重,巷道顶板边角处有抽冒现象、帮鼓、底鼓,出现安全出口变小,巷道顶底板移近后设备无法通过、超前支护单体损坏,既影响工作面的正常回采,又出现安全隐患,增加了经营成本,降低了人工工效,因此采取措施解决矿压问题至关重要。

1 矿山压力大、巷道形变严重原因分析

1.1 基本概况 布尔台区域开采的42煤为31煤和42上煤层的合并层,煤层倾角1～6°,煤层厚度在3.6 ～7.2 5 m,直接顶厚度2～10 m,老顶厚度11～17 m,地表标高1213～1383 m,煤层底板标高904～953 m,靠近大巷附近形成分层,层间距为0～39 m,平均26.1 m;上部22煤层已回采完毕,42煤与22煤层间距为37～77m。

1.2 原因分析

1.井田内断层构造多,多呈带状分布,两断裂带之间有压力未释放或采动影响后产生蠕动。

2.工作面布置开采顺序为沿煤层倾向下行开采,使得采空区垮落后顶板的悬臂梁较上行开采相对大,若为砌体梁因煤层倾角的存在作用力也相对较大,沉降岩体偏向下山方向移动,使煤隔离柱所承受的顶板压力增大并附加有侧应力。甚至有时先形成悬臂,随采动及隔离煤柱的屈服而垮落,使隔离煤柱受多次矿压影响,使巷道支护持续受力破坏。表征为地面不同时期局部形成平行顺槽的2～3条垮落裂缝,在一次采动时临近巷道形变就很严重。

3.布尔台区域42煤采用放顶煤工艺回采,直接顶厚与采高比k＜2,碎涨系数为1.2～1.4,直接顶冒落后不能完全充填采空区,不能对采空区老顶形成支撑,老顶处于悬空状态,平时下沉量和下沉速度不明显,来压时明显、来压剧烈。

4.由于隔离煤柱宽,隔离煤柱上方顶板不能随老顶一起侧翻冒落,隔离煤柱在左右工作面推过后两侧形成悬顶,就像汽车减震“板簧”一样结构,两顺槽顶板如果不能及时垮落使悬臂梁跨度增加,来压的筹码加大,达到煤体屈服点时,煤柱碎裂、压缩,形成较强的超前应力;由于联巷的存在,联巷处恰恰形成了泄压槽,联巷前后受挤压变形严重。表征为联巷前后20 m范围内巷道顶板下沉、帮鼓和底鼓。

5.埋藏深度及开采影响。42煤层埋藏深度为330～450 m,上部22煤层已回采完毕,发生过一次断裂垮落,采空区冒落为至地面“通天劈”,22煤层往上岩层已基本无自承能力;致使来压时上覆基岩的全部应力作用在工作面支架上,压力显现较强。甚至42煤顶板和22煤顶板形成“砌体梁”结构,在回采时错过22煤以上岩石冒落块段平衡点时,随着42煤的顶板冒落一同下滑侧翻旋转或超前侧翻,造成矿压叠加,比正常来压时矿山压力大。表征为工作面周期来压强度呈周期性大、小变化,周期来压步距大小不一。

6.井田区域内断层、裂隙较为发育,破坏了煤岩的完整性,在断层、裂隙在隔离煤柱附近时,顶板完整性受到破坏,煤岩石失去自承能力,造成顶板压力大(多为走向平行于或近平行于工作面的断层)。表征为构造前后巷道变形严重。

7.上部22煤回采时,工作面顺槽的隔离煤柱或跳采煤柱使上部很大一块岩体和下部岩体形成一个整体,易发生应力集中,对下部工作面的压力有所影响;尤其沿工作面推进方向长度超过一个周期来压步距、宽度较大的集中煤柱(宽度需要根据22煤的屈服强度来确定)。表征为煤柱下方矿压明显比无煤柱区段增大。

8.隔离煤柱尺寸不合适。采面间隔离煤柱留设较大,巷道位于应力高峰值区域,煤层裂隙发育、完整性差、承载能力差,顶板压力作用下失衡、屈服,巷道两帮变形量大。寸草塔二矿隔离煤柱宽度为20m,布尔台矿隔离煤柱宽度为25 m,通过现场情况对比寸草塔二矿的矿压相对小。

9.4 2煤局部存在泥岩底板,存在相对较软的区域。巷道两侧煤体压入底板,底板受压缩向有自由面巷道一侧膨胀,造成巷道底鼓。

10.巷道掘进期间留有底煤。42煤底板岩体强度相对大于煤体的强度,在顶板压力作用下,岩石底板不宜变形,但留有底煤后巷道两侧煤体在顶板压力作用下发生变形,巷道两帮受压向中部挤压,底煤部分因煤岩接合为层间弱接合面很容易和煤层底板分离,由于自由面的存在破碎鼓起。而如果不留底煤,岩石是一个完整的整体且相对较为坚硬,巷道两侧的煤体在挤压变形时会在接合面处分离,这样力传递给底板的会减小,底板不宜发生变形底鼓。

11.工作面切顶线在煤壁处或支架上方,而非在支架顶梁末端,造成的主要原因是工作面支架支护强度不足。支架的支护强度加上22煤至42煤工作面顶板的自承能力应能够承受工作面顶板至地面所有岩层的重量。

12.顶板内局部有坚硬岩层。在42煤煤层顶板往上1～2 m的位置和老顶中部位置有坚硬岩层。当距离顶板较近坚硬岩层厚度超过0.8 m时,顺槽三角区顶板就不能够及时垮落,悬顶面积大;当老顶中部坚硬岩层存在时造成工作面周期来压步距加大、矿压大。

13.巷道变形量超出锚杆、锚索的延展量,使锚杆、锚索破断失去支护作用,在没有约束的情况下,巷道形变就较为严重。在回采过程中,在压力持续增大、无支护状态下形变逐渐增大,最大形变量达1.2 m,使采煤工作面的安全出口变小。

14.施工砼底板直接接触巷道两帮,巷道两帮变形后挤压砼底板路面,出现砼路面鼓起而原巷道底板未发生形变的“伪底鼓”现象。

2 解决方案

2.1 开泄压槽法 底板泄压槽:在巷道两侧底板开泄压槽。一般没有留底煤的将混凝土底板部分掏掉即可;留有底煤部分,深度需要根据观测形变位置进行确定,底煤不厚的掏至煤层底板;泄压槽宽度根据巷道两帮的形变量来确定。

顶板泄压槽:对于顶板下沉量较大的巷道段,巷道顶板会呈以正帮侧为轴的旋转,巷道顶板会受挤压造成顶板破碎甚至冒顶,可以在巷道副帮顶板预开泄压槽,留有挤压自由面,使顶板压力进行释放,使压力向深部延伸,同时也防止顶板支护受剪切破坏。

2.2 底板注浆形成反向拱 对于局部为泥岩强度相对较低的底板,在巷道底板及两侧煤体底板下部松动圈范围内注浆加强底板,形成反向拱,利用两侧煤体压住反向拱,反向拱的厚度需根据形变范围等因素确定。增加底板强度的同时减少底板的形变量,将应力向深处传递;随着形变位置的加深,巷道底板的自承能力也加大,能够起到控制底鼓的作用。

2.3 优化支护设计和工艺 采用恒阻锚索加强支护。联巷口部巷帮、断层构造带前后巷帮、二次采动巷道巷帮中部等巷道形变量相对较大的地点,采用大形变量恒阻锚索进行加强支护,给巷道一个形变范围而不失去支护,起到一定的泄压而不失约束。

先补强后降低强度。对巷道顶板、两帮进行锚索+钢带补强支护,降低巷道的形变量;在顶板进入支架顶梁之前,将锚索、锚杆退掉,降低顶板的支护强度,使巷道顶板能够及时垮落,减少三角区的悬顶面积,从而减小超前压力。

工作面支架强度应能满足支护工作面顶板至地面岩体的压力,同时要考虑上部煤层和下部煤层“砌体梁”结构带来的压力。

2.4 优化巷道层位 不留底煤掘进或破煤层底板掘进。沿煤层底板掘进,不施工砼底板或施工砼底板时两侧留边沟;掘进时按照砼底板厚度破底,施工砼底板后和煤层底板相平或略低,将煤岩接合面揭露在外,两侧煤体发生形变时会从接合面处裂开,不带动煤层底板岩体形变,防止了砼底板路面的鼓起。因巷道起伏较大或地质构造影响必须留底煤时,要对巷道底板进行强度增强或开泄压槽。

2.5 优化隔离煤柱宽度 通过优化隔离煤柱宽度,避免在原始构造应力场的高应力部位和采动应力场中的高应力部位布置巷道,降低应力的影响。减小顺槽之间的隔离煤柱,同时也减小了隔离煤柱上部岩体的体积,使得煤柱随着回采,上部岩体能够及时侧翻垮落,隔离煤柱及时松软压垮降低来压强度,降低超前压力;减小隔离煤柱也能够将压力峰值区转向工作面的实体煤,降低隔离煤柱所承受的压力。

2.6 无煤柱开采 采用无煤柱开采,将全部矿压转移到工作面实体煤上。主要方法有沿空留巷、沿空掘巷和N10工法掘巷带留巷等。不留隔离煤柱,也会减小隔离煤柱对下层煤开采的影响。

2.7 采用深孔高压水预裂技术 因两顺槽巷道顶板存在浅部坚硬岩层,使用高压水对顶板进行预裂,再结合退锚,以便移架后老顶能及时垮落,减少采空区顶板悬顶面积,降低超前压力。

2.8 采用定向爆破预裂切顶技术 针对一次采动巷道回采后形成悬臂梁顶板采取爆破预裂切缝放顶技术。在回采前采用爆破技术,沿顺槽巷道副帮侧顶板采取定向切缝,待工作面推过后,在矿压作用下顶板将沿预裂切缝自动切落,通过减小悬臂梁来减小作用在隔离煤柱上的应力。

2.9 采用定向高压水切割预裂技术 针对深层坚硬顶板和两层煤顶板矿压叠加问题,采用定向高压水切割预裂技术,人工干预周期来压步距。人为根据22煤顶板的断裂点和42煤顶板内硬岩的分布情况,选取合适的预裂点,减小周期来压步距,降低来压强度。

2.1 0选择正确的回采工艺 大采高工作面煤壁揭露面积大,按照屈服计算时,向煤壁内垮落的深度要较综放工作面深,从而增加了支架的控顶面积,是的支架承受的压力增大,也就使大采高工作面较同等的综放工作面来压时强度大的原因。因此在煤种强度等符合放顶煤工艺要求的情况下优先选用放顶煤采煤工艺。

2.1 1选择合适的工作面布置方式 因煤层倾角的存在,在煤层倾向较稳定的情况下,工作面整体布局为沿煤层倾斜方向呈上行开采,减小顶板悬臂梁长度或“砌体梁”的应力,来减小隔离煤柱上承载的应力。

正确选择采高、采放比、工作面长度和推进长度等工作面参数,在提高回采率的同时,保证推进速度满足矿压的变化。

正确的安排工作面推进和相应巷道掘进准备的时间、空间关系和回采工作面接替顺序等,实现在经历采动释放应力的“内应力场”中掘进或维护巷道、推进回采工作面。

在工作面设计规划时对已知的地质构造带、褶皱的波峰和波谷处进行躲避,尽量不要在这些区域布置巷道,无法躲避的采取加强支护。

在上层煤无集中煤柱的情况下,考虑上下层工作面垂直布置,使上下层采空后顶板切块方向不一致,防止矿压叠加。

2.1 2加强放顶煤管理 端头为采煤机斜切进刀区段,工序较为紧张,往往是放煤效果最差的地方,放顶煤效果差,会造成端头段局部能够形成充填到老顶,起到支撑作用,加大了三角区的悬顶面积,超前来压强度增大。工作面两端头的放顶煤尽量靠近两顺槽,使得端头处顶板能够随工作面顶板及时垮落,也使二次巷道躲开压力升高区域,减少巷道上方的压力。

整个工作面要将煤全部放净,使采空区充填一致,不要出现局部不放现象,会在采空区形成隐形的煤柱,对采空区老顶形成一定的支撑,造成周期来压步距加大,同时也会出现局部应力集中。

2.1 3集中煤柱的处置方案 为避免上部采空区集中煤柱造成的矿压增加,在条件允许的情况下对其进行强制爆破,破坏煤柱的完整性,防止侧翻大岩体的形成。

在矿井设计之初就考虑好整体开采方案,上层煤回采时最好能够选用无煤柱开采技术,避免形成煤柱。也可以采取小煤柱开采,小煤柱可以在回采时受矿压影响就已压裂破碎,不会造成应力集中。

上部采空区有隔离煤柱时,下部工作面的顺槽躲开上部隔离煤柱,避免重叠布置,躲开距离L≥h·ctgα+l(h为最大层间距,α为垮落角,l为最大周期来压步距)。

2.1 4优化路面管理 施工砼底板路面时,巷道两侧不与巷帮接触,在保证行车、行人安全的前提下留有边沟,形成泄压槽,避免巷道片帮挤压混凝土路面,造成混凝土路面的鼓起。也可以把边沟用预制混凝土块充填,在巷道受到采动影响前将其取出。路面也可以完全采取预制混凝土块铺设,适应巷道底鼓能力较强。

3 结论

在布尔台区域采取相应措施后矿压显现较布尔台煤矿明显减小,有效的控制了巷道的形变,但还有进一步的优化空间。

存在类似地质条件的矿井在设计之初考虑躲开地应力集中区;已不具备条件躲开应力集中区时采取降低矿压、释放矿压的方案;在以上条件都不具备的情况下采取加强支护等方案。