门头沟矿坚硬顶板取消刀柱顶板控制设计及实践.pdf

门 头 沟 矿 坚 硬 顶 板 取 消 刀 柱 顶 板 控 制 设 计 及 实 践 山东矿业学 院 宋扬谭 云 亮 北京矿 务局 门头 沟煤矿 简宝贵 门头沟煤矿煤层 、顶板坚硬 ，不 同区域 顶 板条件差异很大 多年来 ，一直沿用刀柱 采煤法 。1 9 8 4 年 起该矿首先在五槽煤成 功地 取消 了刀柱 ，实现 了高档普采。为 了进一步 改革采煤方法 ，发展主采煤层的 采 煤 机 械 化 ，门头沟煤矿与 山东矿业学院矿压研究所 合作 ， 自1 9 8 9 年1 2 月初在该矿龙 门一 5 o o m水 平二槽煤进行取消刀柱的研究和试采工作。 试采实践表明，采用针对具体煤层条件进行 顶板控制的定量设计 ，并在开采过程 中通过 对 顶板运 动的监测来指导控翎方案的实施 是 加强顶板科学管理、保障安全生 产 的 有 效 途 径 。 一 、试 采工作面舞况 试 采 工作面 为 一5 0 0 m水平南巷下工作 面 ，其斜长6 0 m ，走 向计划推进8 o m，实际 推进7 3 ． 3 5 m ， 煤层 厚度 3 m左 右 ，倾 角9 。 ～ 1 5 。 ，煤质坚硬 ，3 。直接 顶 为 细 砂 岩 ，单 向抗拉强度为2 3 ． 1 MP a ， 平均 厚度2 ． 8 m，老顶为灰色的中粒砂岩 ，厚度1 3 m ，采 后不易 冒落。试采面原 以刀柱法 回 采 作 准 备 ，刀柱 间 距 约 4 0 m左 右，共含两条刀柱 巷 ，现取消刀柱 ，用单 一走 向长壁法采煤 ， 全部垮落法管理顶板 。工作面 采 用 HD Y一 4 型 滑移顶梁支架支护顶板 ，最大控顶距 4 m， 最小 控顶距 3 ． 5 m。 、顼 扳控 制方 案 由于二槽煤顶板坚硬 且呈脆性 ， 同时顶 板岩性 变化 大，为了确保安 全，在试采 前必 须根据 具体条件 制定 顶板控制方案 1 ．需要 控制的岩层 范 围及其运 动参 数 1 直接顶范围及 运动参数 。该 工作 三 、结 论 1构造复杂煤矿巷道地压显现与控 制，实质上是地应力的显现与控制，因此， 仅用传 统的覆盖 岩层 的 自重理论无法解 决巷 道 应力分布 和岩移 问题，只有针对地应力作 用 的特 点和显现 规律进 行设计 和施工 ，才能 使巷遭工程处 于稳定状态并取得经济效 益。 2地 应力是 构造复杂 煤层 矿压显现 的主导 因素 ，因此预 测地 应力 对巷道工 程的 影 响程度应成为开采该类 型煤层 的重要 技术 指标 ，建议在地质勘探 、矿井设计和有关技 术文 件 中引入 这 一指标，在相应的 说明书和 图件 中指明高地应力区范围，为设计和施工 】2 提供依据 。 3随矿井开 采深度的增加，地应力 的显现和控制问题必将在 矿井 生产 中 日益突 出，因此 应对地应力 的估算 、地 应力场 的分 布规律和地应力 的时 间效应等深入研究 ，以 对 高地 应力 区巷道工程稳定性提 出 良 好 的 对策 。 参考文献 [ 1 ] 谭学术等， * 矿井石门揭露堞动力现象发生 的 分 析*。 [ 2 多 尔恰 尼诺夫 等， 构造应 力与 井 巷 工 程 稳 定 性 ” 执 笔人严 正 方 责任 编辑许升 阳 维普资讯 面 直接顶厚度 m 为 2 ． 8 m，利用岩 板断裂计 算分式，可算出直接顶初次垮落步距L 。 L q e | 、 ， I _ 5 4 m 式 中p 中间变量 ， 口 √ 6 0 ． 7 m ， 一 岩石单 向抗拉强度 ， 为 2 3 ． 1 MP a j 岩 体龟裂系数 ，为0 ． 5 J 岩 石容 重，为2 ． 7 5 x 1 0 ‘ N／ m。 I 修正参数 ，为0 ． 3 J L _ 工作面斜长 ，6 0 m。 2老 顶范围及运 动参数 。老顶 由石 英砂岩组成 ，厚1 3 m，利用公式 1预计 结果 表明，其初次断裂步距远远大于工作面 斜长 ，因此在现采工作面范 围内，老顶不会 发 生显著 运动 综上 分析 ，本工作面顶板控 制的对象为 直 接顶。 2 ．顶板运动形式及矿压显现特 点 了解需要控制岩层运动发展过程及矿压 显现特 点是进行针对性顶板控制 设 计 的 基 础 。从开切 眼推进起 ，直 到顶板达到极限跨 度L o 时发生断裂、垮落止 ，顶板存在如下两 种 可能 的运 动形式 1 顶板在煤壁附近断裂 ，呈剪 切运 动形式。此时若支架没有足够的支撑力，则 顶 板会沿煤壁 切垮工 作面。这一运动形式对 顶板控制不利 图 1。 鬻 C a t b 图 l 顶 板剪 切 运动形 式 a 一 措堞齄 切下-b 一在 堞壁附近 切 下 2直接顶板韵端部首先在煤壁前方 断裂 ，然后在悬顶范 围的 中部断裂 ，呈弯 曲 沉 降运 动。其运动时所产生的作用力无需支 架 全部承担 ，主要 由煤壁和老塘 内的矸石共 同承担 ，只要支架车身有足够的缩量 ，适应 顶板的下沉运动 ，划不会垮面。这一运动形 式对顶板控制有 利 图 2。 图 2 顶 板弯 沉运动 形式 3 ．对 直接 顶控制 的出发 点和做法 1顶板方面。使直接顶 或其中的一 部分在来压过程 中安全垮落 ，而对未垮落 的 部分，使 其保持 良好的铰接 状态 ，促成直接 顶 向弯沉运动 形式 转化 做 法是 ① 使支承 压力 高峰向煤壁前方 转移 ，从而诱 导顶 板在 煤 壁前方断裂 ，按步距 在煤体 中放 震动炮 ， “ 软化”煤体 ，促成 支承压力 的前移 图3 。 f b 图 3 支承 压 力高 峰前移 处理 措施 8 一震 动炮示 意圈}b 一 支承压 力变化 情况} l 一 处理前 ，2 一处 理后 ②在悬露顶板的 中部减少其来压时 的运 动空 间。在直接顶初次垮落步距 的中 部 降 低 采 高 ，可采取 留顶煤劳底煤 的方案。 即按步距 增加老塘内垫层厚 ，缩小顶板来压时的允 许沉 降空 间 图 4。 2支架 方面。在支架保证有足够缩 量 的前提下，提高支架的整体稳定性 ，防止 顶板来压时 向工作面煤壁方 向推垮工 作面 。 ①按直接顶来压时 的运动参数预计顶板下沉 量 ，核审支架 的缩量 ，防止超 限。② 严格 控 制采 高，以便 效发挥支架 的支 撑能力 。⑧ 1 3 维普资讯 图 4 按步 距 增加老 塘垫 层厚 度 a 一留底煤方 案，b -- 留] 页煤方 案 增大支架顶梁 与顶板的接触面积 ，防止点接 触。④ 向老塘 内设戗柱 ，对付直接顶运动所 产 生的推垮力 。 4 ．采场支护 密度 的确定 1 顶板压力P 。按弯曲沉降考虑 P T l i n L 0 1 4 2 ． 8 2 ． 7 5 1 0 5 4 ／ 4 1 ． 0 41 0 。 Nl m 按 剪切 运动考虑 P T 2 m L 。 1 2 2 ． 8 2 ． 7 5 1 0 x 5 4 ／ 2 2 ． 0 81 0 Nl m 2支架 的实 际支撑 能 力 R 。每架 滑移顶梁有 5根立柱 ，经 计算 其实 际支 撑能 力 为9 ． 6 1 0 NI 架 计算过程略 。 3 基本支 护密度 n。来压期 间的基 本 支 护 密 度 按 nP T ／ RT计 算 ，结 果 见 下 表。 基本支护密度计茸结果寰 运 动 形 式 { 支护密度 架／ m 架 间 距 m 弯沆运动 l 1 ． 0 B j 0 。 9 3 剪切 l 2 ． 1 6 } 0 4 6 5 ．特 殊支 护 1为 了防止直接顶 向煤 壁 方 向 推 垮 ，在 初次来压和周期来压 或垮落 期 间 ， 均设 好戗柱 每架 1根。 2 大面 积来压前 夕，在 切顶线上增 1 4 设 点柱 。 三 、磺板 控制 的实 践厦 效果 1 ．顶扳 控制实践 按顶板控制设计方案 的要求 ，在实施过 程 中以矿压观测 为指导 ，分以下几个 阶段 ， 1从开切眼推进起至直接顶显著 运 动前 ，采场 基本支护按顶 板弯 沉运动形式考 虑 1 ． 0 8 架／ m ，无需架设特殊 支 护 2在预计的顶板初次垮落步距 的中 部 降低采高 ，即推进到2 0 3 0 m范 围内采高 由 2 ． 4 m降至 2 i n左 右 ，以减少顶板来压时 的运动 空间 。 3在采场推进到4 0 m 以后 ，加强对 煤体进行松动爆破的措施 钻孔深度为 3 i n 左 右 ，以促成支承压力高峰 向煤壁前方转 移。 由超前巷道顶 板动态仪观测分析 表明， 在 临近直接顶 初次垮落 步距时 ，支承压力高 峰 已转移 到煤壁前 方 6 m左 右 ，即顶 板将在 煤前 方 6 I T l 左 右发 生断裂 ，从而 排除 顶板可 能发 生的剪切 运动 形式 。 4根据矿压监测 ，在直接顶 初次 来 压前 夕 ，按要求增设特殊支护 ，来压时撤 出 工作人员 。 2 ．来 压预报实践 试采过程 中， 以矿压 观测为指导 ，在监 测顶板运动发展过程 包括顶 板的离层 、沉 降、断裂等的 基础 上，成 功地进 行了大面 积来压预报 ，指导工作面及时按控 制要求采 取 特殊支护措施 ，安全渡过来压期 。来压预 报过程 如下 1 2月2 8 日中班 ，工作面 下巷各测 点下沉 速度发生 了 “ 突变” ， 同时 出现峰 值， 分别达5 ． 9 、1 ． 0 4 、1 ． 1 、1 ． 2 舳 ／ h 图 5 。 这 表明顶板 于该班在 煤墙 前方 6 i n 左 右 即 第 二刀柱巷 附近 断裂 图 6。 2 3月 1日早班 ，下 巷诸 测点的下 沉速度再次上升 ，分别达1 0 ． 5 、8 ． 6 、2 ． 9 、 1 ． 8粕1 ／ h ， 同时工作面下段测 区顶板移近速 筝 维普资讯 图 5 顶 底 板相 对移近 速度 圈 6 顶 板断裂 线位 置 推 断 度也有 明显上升 ，这表 明顶 板将进入 显著 沉 降运动。 3根 据顶板断裂线的位置及工作 面 推进速度的关系 ， 预计顶板将在 3 天 内来压 ， 矿压科 向局 、矿 、区段发 出来压预报表 ，其 中包括采取的相应措施。局、矿领导召开专 题会 议 ，采取 紧 急 措 施 ，做好来压准备 。 4 3月 2日夜班 ， 3 m点、 6 m点 下沉速度 又出现高峰 图 5。尔后工作 面 下段测区内动态仪出现 “ 反弹”，表明顶板 在切顶排 已发生 “ 二次断裂” 图 7。 5 3月 4日中班 工作面 推进步 距 达到 5 6 6 m ，1 6 。 1 5顶 板响声大作 ，工作 面人员全部撤 出，1 6 l 5 ～1 8 l 3 0 工作 面顶板 发生大面 积冒落 。 顶板大面积来压后 ，支架基本完好 ，当 班 即恢复生产 。 陌 7 顶 板 沿切顶 排出 现 “ 二 次 断裂 a 一项板在煤壁前方出现一次断裂，b 一 二次断裂 出 现在切顼排J I 一一次断裂线I I一二次断裂线 四 、结 论 对坚硬顶板条件下取 消刀柱 的顶板 控制 问题有如下认识 。 1直接顶厚度在 5m范 围内，其 中 又有 较明显的层理 ，可形成 分层垮落 ，则属 良好 的顶板条件 ，顶 板控制的重 点 是 直 接 顶 。在此基础 上再对老顶采 取给定变 形 即 让压的 控制方针 ，顶板控 制一般会取得较 好的效果 。 2 顶板里弯曲沉降运动形式则有利 于顶板控制 ，实际工作 中需 解决好两 方面的 问题 一是通过对支承压力显现 的监测来确 定 顶板的实际运动形式 ，当顶板 为弯沉运动 形式时 ，没有必要采取处理措施，二是当顶 板可能为剪切运动形式 时，则要采取技术上 易行的处理 措施 如 对煤体进行松 动爆破及 塘 加老 塘垫层厚度 ，促 成顶板运动形式向 有 利于控制的方向转化。 3 由于坚硬顶 板在垮 落过程中要经 历一段整体沉降的过程，选择支架时，要求 有足够的缩量以适应顶板的 运 动。一 般 情 况下 ，术支柱 因阻力低 、缩量小往往会导致 断柱 垮面的后果 ，选择缩量大 、阻力 高的单 体 液压 支柱 是十分有 利的。 4 开展矿压观测 ，预报顶 板的运动 形式和 来压情况 是正 确地指导控 制方案 的实 施 、调整及 搞好 顶板管理的基础 。 责任 编辑许 升阳 15 维普资讯