突出厚煤层坚硬顶板下开采矿压显现与控制.pdf

2 0 0 7年第5期 中州煤炭 总第 1 4 9 期 问 题 探 讨 突出厚煤层坚硬顶板下开采矿压显现与控制 余继 光 ， 左 清泉 ， 蔡 振 雷 焦煤集团公 司 方庄矿 ， 河南 修武4 5 4 3 6 1 摘要 突出厚煤层坚硬顶板下安全高效开采是我 国许 多矿 井面临的一大难题 ， 其采煤方 法、 采煤工 艺及 配套 技术的研究对于扭 转生产上 的被动局面、 提高矿井经济效 益具 有重要 的理论价值 和现 实意义。介绍 了焦煤 集 团演马庄矿 为此进行 的整体顶梁组合悬移液压支 架试验。 关键 词 突 出厚煤层 ； 坚硬顶板； 悬移液压支架 ； 顶板预注水 中图分类号 T D 3 2 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 0 7 0 5 0 0 2 5 0 3 1 坚硬顶板下煤层开采的原则及措施 1 ． 1开采原 则 1 掌握顶板活动的规律 ， 采取 防、 治结合 的原 则 ， 实现 “ 宏 观让步 ， 微观 控制 ” 的 目标 。 2 提高 支架初 撑力 ， 发 挥 支架 的 优势 ， 合 理 确 定工作 面支架 工作 阻力 。 3 掌握顶板来压规律 ， 做好来压预报 ， 推广支 护质量监测系统 ， 能及 时发现各种可能造成支架一 围岩系统故障的隐患并及时采取措施加以消除 ， 使 支架最有效地发挥其设计支护效能 ， 从而实现对顶 板 的有效 控制 。 4 保持支护结构的稳定性。当煤层顶板为复 合型顶板时， 由于支护不到位或顶板裂隙的影响， 顶 板岩层就会与上位硬岩层离层。因局部冒顶或别的 因素影响 ， 断块有可能沿煤层层 面倾斜方向向下移 动 ， 从而产生对支架的推力 。煤层倾角越大 ， 推力就 越大 ， 支架也 最易 被 推 倒 。当 回采 工作 面仰 斜 布置 时 ， 顶 板岩石 断块就 有 可 能沿 层 面 向采空 区方 向运 动 ， 而推倒 支架 。支 架 必 须能 承 受 住来 自层 面方 向 的推力 ， 保持其 稳定 性 。 5 支 架 必须 有 一 定 的可 缩 量 ， 以适 应 难 控 岩 层 的下沉 。 1 ． 2控制 措施 1 采空 区强制 爆 破放 顶 技术 。采 空 区 强制 爆 破 放顶是 在采煤工 作 面邻 近采 空 区的边缘 或工作 面 端 头处 ， 按 一定 的间隔 向顶板钻 孔 ， 进 行强制 爆破 放 顶 ， 人为将顶板切断 ， 并使顶板垮落形成矸石垫层 。 收稿 日期 2 0 0 7 0 71 6 作者简介余继光 1 9 6 9一 ， 男， 河南南 阳人 ， 工程 师 ， 1 9 9 1年毕业 于焦作矿业学 院， 现任焦煤集 团方庄矿副总经理 。 切断顶板可以促进采空区顶板的垮落 ， 控制顶板来 压 时产生 的冲击 载 荷 ， 形 成 的 垫层 可 减 缓 顶板 垮 落 时产 生 的风暴 。 2 超前 深孔 预爆 破松 动 顶板 。超 前 深孔 预爆 破松 动顶板 是在 采煤 工 作 面 前方 坚 硬顶 板 岩层 中 ， 按一定 间 隔预先 打钻孔 ， 进行 预裂爆 破 ， 利用 炸药爆 炸的能量作用 ， 使煤层上方一定距离处顶板岩层形 成一定范围的破坏区和裂隙发育区， 在工作面推进 过程中， 再借助支承压力的预裂作用 ， 促使坚硬顶板 岩层在采空区及时垮落。从而达到缩短顶板周期来 压步距、 降低顶板来压强度 、 控制坚硬顶板 目的。 3 坚 硬顶板 高压 预 注水 技 术 。高压 预 注水 弱 化 顶板是 通过钻 孔 向顶 板 坚 硬岩 层 预 注 高压水 ， 改 变顶板岩石的物理力学性质 ， 使坚硬难垮落顶板变 为可垮落顶板 ， 从而削弱了顶板周期垮落时冲击 载 荷对 支架 和工作 面 的危 害 。高压 注水 对坚 硬顶板 岩 层主要有两方面的作用 ①水对岩石的浸润软化作 用 ； ②高压水对岩体的水力压裂作用。 2 工程 实践 焦煤 集 团演马庄矿 2 2 0 4 1工作 面位 于二 二采 区 西翼 ， 埋 深 2 3 0 m左 右 ， 走 向长 2 8 5 m， 平 均斜长 1 0 0 m。煤层 平均 厚度 5 ． 5 m。煤层直 接顶为 泥岩 ， 厚 度 0 ． 9 3～1 ． 1 0 m， 基 本 顶 为 大 占砂 岩 ， 厚 度 2 4 ． 1 m。 直接 底为 1 1 ． 0 m 厚 的泥 岩 ， 基 本底 为 L 。灰 岩 。该 工作 面绝对 瓦斯 涌 出量 为 3 ． 9 m ／ m i n ， 瓦斯 含 量 为 1 9 ． 8 m ／ t ， 有煤与瓦斯突出危险。 从 2 2 0 4 1工作 面坚硬 顶板下 煤层 的赋存特 征 和 围岩岩性人手 ， 广泛调研 了适合于突 出厚煤层坚硬 顶板下开采的液压支架及采煤工艺 ， 确立了整体顶 梁组 合悬 移液 压支架炮 采开采 体 系 ， 并采 取 了措 施 ， ． 25 维普资讯 2 0 0 7年第5 期 中州煤炭 总第 1 4 9 期 取得 了 良好 的经济 效 益 和安 全效 益 ， 达 到 了高 产 高 效开采的目标 。 2 ． 1 Z HZ 2 0 0 0 ／ 1 5 ／ 3 5型 整体顶 梁组合 液压支 架 2 ． 1 ． 1支架特点 支架稳定 性好 ， 不 倒 架 。如 果 某架 上 方 出 现顶 空或 未支撑好 的现 象 ， 相邻 支 架将 通 过 前后 托 梁 托 起该支架共同支护顶板 ， 使其不歪扭 、 不倾倒 、 不下 落， 避免了工作面歪架 、 倒架现象。由于顶梁部分是 一 宽约 1 ． 0 m、 长约 3 ． 2 m的整体箱式结构， 护顶面 积在 9 5 ％ 以上 与综采 支架相 同 ， 所 以在 破碎 顶板 工作 面时不会 出现漏顶 现象 。 2 ． 1 ． 2支 护强度 验算 2 2 0 4 1 工作 面直接顶 为泥岩 ， 厚 为 0 ． 9 3 m， 密度 2 ． 6 t ／ m ； 基 本顶 为大 占砂 岩 ， 厚 为 2 4 ． 1 m， 密度 2 ． 7 t ／ m ， 根据 常规 顶 板 来 压 强度 计 算 公 式 ， 即按 4～8 倍 采高计算 顶板最 大来压 强度 ， 取 8倍 采高则 P 0． 6 0 MPa 由于该 类 型 支 架 配 备 4根 支 柱 时 支护 强 度 为 0 ． 6 9 0 MP a ， 大 于工作 面 顶板 最 大来 压 强 度 ， 所 以该 支架支护 强度满 足要求 。 2 ． 2 坚硬顶 板高压 预注水 地 面贮 水 池 的水 通 过水 管送 入井 下 至巷 道 ， 经 过滤 后通过 高压泵 注入钻孔 。顶板 注水 工艺主 要包 括钻 孔 、 封孔 和注 水 。 根据 采煤 工作 面 长度 及 钻机 性 能 ， 注水 孔 的布 置有 单 向和 双 向 2种 布 置 方 式 。工 作 面 长 度 小 于 1 0 0 m时 ， 通 常采用单 向式 ； 工作 面 长 度大 于 1 0 0 m 时 ， 采用双 向式 。有 时受钻机 能力 的限制 ， 工作 面长 度较 短时也 可采用双 向式 。根据基 本顶厚 度及 直接 顶状 况不 同 ， 可采用 单层或 双层钻孔 布 置。 根据 实 际情 况 ， 工 作 面注 水孔 采 用双 向单层 布 置 ， 从 工作 面 运输 巷 、 回风 巷 向工作 面煤 层 顶 板 打 孔 ， 钻 孔在工作 面开 切眼 向外 6 0 m范 围 以内。 2 ． 3采空 区强制爆破 放顶 采用步距 式深孔 放顶 ， 在每次顶 板周期来 压前 ， 接连 进行 2排深 孔爆破 ， 形成 l条深槽 ， 促使 顶板垮 落 。钻 孔直 径 为 6 0～6 4 m m， 孔 间距 为 6～8 m， 仰 角为 6 5～6 9 。 ， 孔深 6～ 7 m， 每孔 装药 量 一般 8～1 0 k g 。用以消除采空区悬顶 ， 保证回柱作业的安全。 另外 ， 初次来压 和周期 来压期 间 ， 必须 保证 支柱 的支护质量 ， 沿切顶线 每架 打一根戗 柱 。 3 矿压 观 测 2 6 3 ． 1 工作面 测站布 置 在 2 2 0 4 1工作 面上 、 中 、 下 各 布 置 一个 测 站 ， 逐 步安装 2种 型号 的测 压仪进 行测 压 。其 中上站位 于 下平槽 向 上 8 4～8 5 m 处 ， 安 设 2台型 号 为 K B Y 一 6 0 矿用数 字压 力 计 ； 下 站 位 于下 平 槽 向 上 1 6～1 7 m 处 ， 安设 2台型号 为 K B Y ． 6 0矿用 数 字压 力计 ； 中站 位于下 平槽 向上 5 2～ 5 5 m， 安 装 1套 K J B 一 8型矿 用 单体液压支柱工作阻力检测分析仪 ， 对支架的工作 阻力及 初撑力进 行 观测 。 3 ． 2 工 作面矿压 观测及 显现 规律分 析 2 2 0 4 1 工作 面 上 、 中 、 下 测站 支架 工作 阻力 曲线 如图 1 所 示 。 1 6 0 0 1 4 oo L 三 1 2 0 0 1 0 00 8 0 0} 6 O O} 4 oo 2 o o 下 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 切眼通尺， m 图 1测 站支 架 工 作 阻 力 曲 线 工作 面开采 时 ， 切 眼 内距下 平槽 3 0 m处有 一断 层 ， 断层 与工作 面煤壁方 向斜交 ， 随工作 面 的推进 逐 渐 向上移 动 。受 此 断层 影 响 ， 工作 面 顶板 垮 落是 从 工作 面下段 往上 段逐 步 扩展 、 自下 位 岩层 向中位 岩 层分层 次完 成 的。在 观 测期 内 ， 从 支 架载 荷 图可 以 看 出 ， 工作 面经历 6次来压 ， 其 中 3次直接 顶垮落 ， 1 次初 次来压 ， 2次 周期来 压 。 1 工作 面直接 顶初 次 垮落 。工 作 面推 进平 均 为 2 6 m 时 ， 中下 部直 接 顶 初次 垮 落 ， 垮 落 时 工作 面 矿压 显现不 明显 。工作 面推进平 均为 4 4 m时 ， 中部 直接顶 初次垮 落 ， 垮 落时 工作面 压力显现 明显 ， 工 作 面煤墙 片帮最 大 可达 3 m 宽 ， 而 且 工作 面 内距 下 平 槽 3 7～ 7 0 m处 ， 煤墙 顶板普 遍被压 碎 2 m宽 、 0 ． 2 m 厚 ， 老巷有明显的支柱钻底和底鼓现象。工作面推 进平均为 5 0 m时， 中上部直接顶初次垮落 ， 垮落时 工 作面 矿压显 现不 明显 。 2 工作面初次来压。工作面推进平均 5 7 m、 老巷悬顶面积达5 7 0 0 m 时， 工作面基本顶初次来 压 。来 压前 ， 支 架 的平 均 工 作 阻 力 为 9 7 0 ． 2 k N， 达 到支 架 额定 工 作 阻 力 的 4 8 ． 5 ％ ； 来 压 时 ， 支架 平 均 最大工作阻力为 1 4 3 2 ． 8 k N， 达到支架额定工作阻 维普资讯 2 0 0 7年第 5期 余继 光等 突 出厚 煤层 坚硬顶 板下 开采矿 压显 现与控 制 总第 1 4 9期 力 的 7 1 ． 7 ％ ， 动载 系数为 1 ． 4 8 。 3 工作 面周 期来 压 。周 期 来 压 步距 为 9～1 2 m， 实际观察 上 、 下 测 站 的矿 山压 力 显 现 不 明显 ， 而 中站 的矿 山压 力显现 比较 明显 。 4 存在 问题 根 据工 作 面矿 压 观测 资 料及 考 察情 况 ， 顶 板 出 现 多次大 面积来 压 ， 其 中工 作 面 中部 顶 板 大 面积 垮 落 时 ， 造成 老巷 大量气体 短时 间 内被 压 出 ， 下风 道逆 风 约 1 0 0 m。此 时 正 值工 作 面 放 炮 撤 人 时 间 ， 虽 没 有伤及人员 ， 但这些问题有待进一步采取措施解决。 5 结 语 1 整体 顶粱组合 悬 移 液压 支 架支 护 能力 可 以 满足 顶板控 制需要 ， 实测 工 作 面支 架 的平 均 工 作 阻 力 7 0 3 k N， 为额定 阻力 的 3 5 ％ ， 支架 的最 大 工作 阻 力为 1 6 8 5 ． 2 k N， 为 支 架 额定 工 作 阻力 的 8 4 ． 3 ％ 。 该支架 经历 了大顶 的初 次来 压 及 周期 来 压 ， 顶 板下 沉量小 ， 且端 面完 整 一致 ， 没有 出现破 碎 掉 矸现 象 ， 煤 壁片 帮现象 也很 少 出现 。说 明选用 支架 的整体性 和抗压 性较好 ， 完全 适用 坚硬顶板 下炮 采工作 面 。 2 通过 在演 马庄 矿 2 2 0 4 1 工 作 面进 行 整体 顶 梁组合悬移液压支架试验 ， 工作面安全状况得到 了 显著 的改善， 工人的劳动强度大大降低 ， 提高了工作 面单 产 2 ． 8万 ～3 ． 0万 t ／ 月 ， 降低 了生 产 费用 ， 取 得 了 良好 的经济 和社会 效益 。 3 通过 顶板 高压 预 注水 及采 空 区 强制爆 破 放 顶措 施 ， 控 制 了顶板 ， 保 证 了安全 。 4 通 过 网格 瓦 斯 抽 放 ， 工 作 面 在 回采 过 程 中 没有 出现过 瓦斯超 限现 象 。 责任 编辑 秦 爱新 卜 “ “卜“ ““ “ “ 一““ 卜 一 “ 卜“““ ““““十 一一“一 卜““”一 ”一““ ““一 “ ““一 卜 ” 一“一 n “ ““ 上接 第 2 4页 厂 一 r h 1 ’ √ ． 1 式 中 ， h 为 内层壁厚 ； h 为外 层壁 厚 ； r 为井 筒 半径 ； 为 内层 井壁钢 筋与混凝 土综 合强 度 为外 层井 壁钢筋与混凝土综合强度 ； P 水为静水压力 ； P 冻为 冻 结压力 ； 为 内壁 设 计荷 载 系数 ； 为 外壁 设 计 荷 载 系数 。计算 的最终 井壁厚 度详 见表 1 。 表 1原设 计 井壁 井 筒 净直 径 6 ． 5 m 分 段 壁 厚 5 ． 2优化 设计后 井壁 厚度 副井 井壁结 构施工 中按 照设计 图纸 的外壁 厚度 和混凝土强度标号进行施工 。当施工到垂深 4 8 0 m 左右时 ， 建设单位根据国内高产高效先进矿井的经 验， 决定井下辅助运输 由原设计无极绳运输改为胶 轮车运输 。胶轮车外形尺寸较大， 原设计的副井罐 笼需要修 改 ， 这 样就 涉及到 原设计 的副井 直径 较小 ， 需扩大 直径 。经 过 专 家 论 证 后 ， 副 井 直 径 由原 6 ． 5 m扩大 到 6 ． 8 m。此 时 外 层 井 壁 已 基本 施 工 完 毕 ， 准备套 内壁 ， 扩大井筒掘进体积不现实， 只有在未施 工 的内层井壁 想 办 法 。经 过多 次论 证 ， 考 虑 外 层井 壁按原 设计 继续施 工 ， 内层 井壁 通 过 提 高混 凝 土标 号 增加 其强度 、 减小 内壁厚 度 的方案来 实现 ， 其 中混 凝土最高强度达 C 8 0 ， 为全 国首例。修改后最终井 壁厚度详见表 2 。 表 2优 化 设 计 后 井 壁 井 简 净直 径 6 ． 8 m 分 段 壁 厚 6 结 语 经过 优化设 计 的赵 固一 矿副 井井壁 结构通过 了 专家论证 ， 得到了建设单位的认可。优化后的设计 没有增大井筒工程量 ， 减小 了井壁 厚度， 降低 了费 用 ， 且 未影响 施工工期 。现 该矿 副井井 筒 已落底 ， 并 通过了有关部门的验收。此项设计不仅满足了建设 单位的要求 ， 也为今后 的同类设计积累了宝贵的经 验 。 责任 编辑 秦爱新 ． 27 ． 维普资讯