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      煤礦硬頂控制措施分析

      發布時間:2020-10-29 09:50所屬分類:地質礦產加入收藏

      摘 要:煤礦堅硬頂板回采工作面和普通回采工作面的主要區別是礦山壓力顯現的不同,堅硬頂板回采工作面其礦山壓力顯現較為劇烈[1]。首先,堅硬頂板

        摘 要:煤礦堅硬頂板回采工作面和普通回采工作面的主要區別是礦山壓力顯現的不同,堅硬頂板回采工作面其礦山壓力顯現較為劇烈[1]。首先,堅硬頂板在煤層回采后頂板可以形成大面積懸露而不垮落,其次初次垮落步距一般大于30~40m,因而對工作面的回采安全形成極大的威脅。同時,頂板大面積的垮落,經常給回采工作面乃至礦井造成嚴重的破壞,甚至發生礦震。

        關鍵詞:堅硬頂板;初次來壓;頂板控制;顯現特征

      煤礦工程論文

        1、我國工作面的頂板分類

        為了改善頂板管理,我國頒布了新的《緩斜和傾斜煤層回采工作面頂板分類》方案。該方案首先明確了偽頂、直接頂、基本頂的基本概念,然后按穩定性將直接頂分為四類,按來壓強度將基本頂分為四級,最后由兩者類級別的不同組合,將采場頂板分為11類,其中屬于堅硬頂板的有Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3、Ⅲ4、VI4五類。

        我國現行的這種頂板分類對Ⅲ級來壓強烈頂板有了較細的劃分,但Ⅳ級頂板太籠統,而且控制方法也未加區別,針對性不強。在Ⅲ級頂板中,Ⅲ1、Ⅲ2類可以用全部垮落法,Ⅲ3、Ⅲ4類必須強制放頂,顯然不夠確切,因為l、2類頂板只表明了它的直接頂穩定性差,并不表明巖層的厚度大小,從0.3~5的N值變化范圍很大,其中25~50m來壓步距的頂板必有來壓強烈,甚至極強烈的。

        2、堅硬頂板采場礦山壓力顯現特征

        2.1周期性的破斷來壓步距大、動載系數高

        堅硬頂板的一大特點就是煤層采出后,采空區上方的頂板不能及時垮落,當懸露較大面積后,才突然破斷冒落。根據統計,初次冒落的面積一般在3000m2以上,而周期冒落面積也在1500m2以上。對于長壁采場來說,初次來壓步距在30m以上,整體性強的頂板往往呈正方形的懸露面積時,頂板活動產生的壓力最大,也就是說工作面長度和來壓步距近似相等時,往往易發生工作面開采過程中的頂板最劇烈活動。

        造成堅硬頂板來壓強烈的另一個重要因素是直接頂厚度小,垮落巖石在采空區形成的墊層很薄,或者無墊層,老頂垮落的空間高度大,在變形能量釋放的同時,大塊頂板的巖石直接沖擊在支架上。除此之外堅硬頂板壓力還與采深有著一定的關系。

        隨著采深不斷增加,應力曲線不斷上揚,煤層受到的整體應力也相應增大,當采深為1200m時,應力峰值達到了55MPa;在煤層的非彈性區的前面部分應力曲線基本重合,說明煤壁塑性區受到的應力大小幾乎不受采深變化的影響,主要取決于煤體的峰后特性;當靠近應力峰值附近,煤壁的受力是隨著采深的增加而增加;在煤壁前方20m左右以遠應力線趨于平穩,說明煤層受力從此位置開始基本不再受到采動的影響,接近原巖應力,其絕對量隨采深的增加而增加。

        直接頂的受力是研究水平直線所示層面的應力分布情況.以煤壁豎直方向的延長線和直接頂上層截面的交叉點為原點,向采空區方向為負,向右為正建立坐標系來分析直接頂板受力與采深的關系.

        不同采深下直接頂受到的垂直應力曲線在煤壁兩側變化范圍較大,采空區側的應力值明顯小于煤壁側的應力;直接頂受到的垂直應力在采空區端部為壓應力,當采深達到1200m時端部2m范圍內應力值明顯增大;在控頂區后側6m左右范圍內,直接頂受到拉應力,隨采深的變化不大;直接頂控頂區受到的垂直應力隨采深變化不大,甚至有所減小;直接頂受到的垂直應力的峰值隨采深的增加而增加,但在采深1000m和1200m時其峰值基本相等.

        2.2支架載荷高,且分布不均勻,合力點靠近后排支柱

        由于堅硬頂板由于整體性硬、冒落的塊度大。一般在冒落切頂后方均有3-5m左右的懸頂,它是造成載荷分布不均的主要原因。欲改善受力分布,應及時處理頂板,盡可能減少頂板懸露面積。

        3、工作面堅硬頂板控制

        3.1控制頂板的斷裂位置

        為減輕堅硬頂板對工作面的危險可先計算出頂板的斷裂位置。下位堅硬頂板在控頂區內斷裂后,隨著采面的推進,支柱的前移,斷裂頂板發生回轉下沉,其下面支柱就會逐漸傾斜、失穩,最終失去平衡,從而發生推垮支柱的頂板事故。因此,把頂板控制在切頂線外斷裂,保持控頂區頂板完整性,是避免發生此類頂板事故的重要因素。從許多實驗結果可以得出,提高工作面切頂阻力,可使下位頂板的斷裂位置由控頂區內移向切頂線,從而有利于對頂板的控制。同時還可以看出,頂板斷裂位置與頂板厚度有關。當頂板厚度增大時,還需再增大切頂阻力,才能把頂板切落在采空區內。

        頂板斷裂位置可根據回采工作面開采初期的巷道布置,按照薄板的假設計算原理計算得出。假設其厚度(h)與寬度(a)的比值h/a=1/7~1/15。根據開采條件及邊界煤柱大小,又可將老頂巖層假設為四種情況:四邊固支、三固一簡、兩固兩簡及一固三簡。四邊固支條件下基本頂垮落步距計算如下:

        3.2強制放頂法

        強制放頂法包括采后爆破和采前預爆破兩類。采后爆破是在工作面后方采空區,向頂板打眼裝藥,用爆破的方法強迫頂板冒落。采前預爆破是在工作面前方頂板打眼裝藥,用爆破的方法預先松動頂板,當工作面采過后頂板可自行冒落的方法。

        3.3壓力注水弱化頂板

        壓力注水弱化頂板就是在工作面前方預先向頂板鉆孔注壓力水,利用水對巖體的壓裂和軟化作用,破壞頂板的完整性和降低頂板巖石強度,當工作面采過后,頂板可正常垮落,減小來壓對工作面的威脅。巖石有吸水軟化特性,人為地向巖體內注水,除了水可以降低巖石的內聚力和內摩擦系數外,水的壓裂作用是十分明顯的,壓裂破壞了巖體的完整性,從而達到放頂目的。

        4、結語

        控制頂板的斷裂位置簡單經濟,但是受很多地質條件的影響,因此不是很準確。爆破法放頂破壞巖體的完整性是一種可行的頂板處理方法,其中采前預爆破,干擾回采工序較小,但炸藥消耗量大,成本高,特別是大量的炸藥在井下爆破,污染嚴重。注水目前存在著效率低,某些頂板軟化效果差等缺點,提高注水弱化頂板的效率,減少工程量,降低注水成本等是今后研究的發展注水法的重點。

        參考文獻

        [1] 靳鐘銘,徐林生.煤礦堅硬頂板控制[M].北京:煤炭工業出版社,1998

        [2] 錢鳴高.礦山壓力及其控制[M].北京:煤炭工業出版社,1994

        [3] 杜計平,蘇景春.煤礦深井開采的礦壓顯現及控制[M].徐州:中國礦業大學出版社,2000

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