用顶板下沉速度检测来查明顶板的稳定性.pdf

用顶板下沉速度监测来查 明顶板 的稳定性 美] 哈 采德 N． 马 莱 基 长 期以式， 冒顶是 影响煤矿安全和生 产 的一个重要 因素。在矿井 开采期 间， 由于顶 板岩石的可变 性 支护形式的不同 以及顶板 跨距随时间逐渐增加等原因，在采掘 期间矿 井坑道可能失稳而 冒落。通过简单 的监测技 术来监 蜮 4 此类 问题，对于增加安全霸保持正 常生 产 是 重 要 的 。 研究人员及工 程师们 已经 采用 了几 种不 同的监测 技术来探测即将发 生的 冒项。这些 技术 既能 测量顶板 的下沉，也能测到因岩石 应力变 化所 发射 的微 震波。 顶板下沉速度 的 监测在地下采煤 中尤为适用， 因为该方法易 于实施且设备 搀用不高。 在 白松铜矿及美国西部两个煤矿 中，五 位研 究者成功地证 明了监测顶板下沉速度能 探测 出即将发生的 冒顶。 这些研究指出 ， 在顶 板为弱岩或应力大 时，其下沉会加快。当下 沉速度超过称之为临界速度 的临界值时，就 会发生冒顶 。在 出现临 界速度到实际胃顶 的 这段时间称 之为距 冒顶时闻，这 两个参数都 需要定量，以便精确地检测顶板 的稳 定性 。 最近 ，对 可用 的数据库进行 了研究并做 了一些 试验， 以确定项 板下沉 的临 界速度、 距 冒顶时间及影响这些参数 的因素。过去八 年 间， 已从西部的两个煤矿 收集 了大量地层 移 动的数据。这两个矿属于高原煤矿公 司及 南犹他燃料公 司，他们都位于犹他州的W a - s a t c h 高 原 。 为何耍监测顼授下沉速度 煤矿习惯 用顶板总 下沉量来评价顶板状 况，通常用观察项板锚杆头的变 形、支柱破 碎及项板外 表来断定下沉量。这 种观察是有 用的。丑仅 据此 尚不足 以确切地估计 顶板状 况 ，确定需要增补支架或决定撒 出 人 员 设 备 。 铡如，支柱 的变形不能 显示 出顶板的实 际移动， 因为支 柱变 形随支柱 架设情况而变， 牵涉到架设的时间 楔固及直接底板 的变形 特性等因素。此外，根据这种观察需要有经 验 的人在初始变形之后去 推断顶板下沉是继 续 呢 还 是 中 止 顶板 下沉 速度是指示顶板稳定性的较好 参数，因为此速度并不 取决于顶 板下沉的全 过程 ，故在任 何时阔都可用 来估计顶板的稳 受 ，这是很有价值的，因为它能 显示整个采 矿 系统稳定性的变 化。从匀速下沉突变到高 速 临 界 下沉可表明项板 板块发生分离 、失 去有效支护或顶板被矿柱切断或煤柱 即将崩 垮等情 况 ． 长壁 采 区平 巷 殛 煤 柱 回采 在高原矿长壁采 区平巷和煤柱回采盘区 及S u f c o 1 矿的煤柱 回采盘 区所进行的 研 究 提供了监测顶板稳定性的实例 用这 些例子 来确定这两 种开采工艺过程中顶 板实 际塌落 的临 界下沉速度。 煤柱 回采的顶板下沉速度 显著高于长壁 采 区平巷的项板下沉速度。 因为在回采煤柱 期 问所形成的跨距 较大 ，约4 0 英尺，相比之 下长壁采 区平巷的跨距只有2 0 英尺。 高原矿长壁开采采用3 个采区平巷开拓， 中间平巷的项板 下沉情况如 图 1所示 跨距 为2 O 英尺，直接顶为泥岩 ． 其上覆层为砂岩 ， 主要顶板 支架为长 5英尺的机械锚杆和护顶 板。 顶板下沉由两个金属线下垂 测 定 计 监 测 ，测定计用锚杆 1 在8 英尺处 及锚杆2 在 3 英尺处 分别安装在锚杆锚固水平线的上方 61 维普资讯 图 1 长壁 采 区平 巷 顶板 下沉 过程 和下方。根据 此监测可计算出和 显示 出顶板 的相 对下沉量 见 图 1 。两条 曲线的差异反 映出顶板岩层 的离层。 掘 出之后 ，顶板下沉速 度 达 到0 ． 0 2英 寸／ d ，并导 致顶板成片剥落。此时设置支柱 可 降低顶板下沉速度 ，但不能制止与砂岩 毗 连处的离层 。当长壁工作面接近 仪器测点在 3 0 0 英尺 以内时 ， 岩层离层及顶板下沉速度 显 著增加 ， 安装 了辅助支架使顶板稳定 。 但当工 作面离仪器在 1 l O 英尺 以内时， 出现了又 一轮 的 顶板下沉加 速和离层 ，继最后一轮加速之 后约 4 d即发生 了冒顶。 在两个矿 回栗煤柱 期间都对顶底板的移 近 量进 行 了监测。在此过程中，顶板跨距渐 渐扩大 。两个矿的开采平巷 中顶底板的移近 直接与顶板下沉有 关，因为底板移动或者是 很小，或者是 与顶板移 动成正比。这就 不需 要在顶板中设顶板下沉测定计 ，而 可以毫不 费力地用美国矿业局研制的 电动机械 式伸 长 计来监测。该仪器直 接装在顶底 板之 间。 然后 ，在离开连续采煤 机和伸长计约6 O 英尺处的石 门里监测顶底板移近速度 。该监 测装置称 为移近 速度监测器。当顶板下沉速 度超 出临界值时，仪器便发 出声 响警报 。 图 2示 出了在高原矿获得的具有代表性 的结果 。 图中亦指 出了开采布置情 况及安设 仪器韵 位置 。其趋势 与图 1 所 示的类似 ，即 62 衄 『 j 肌 ／ 善 } 一 -} ／ Lf／_ 。 _l『 主 } 『． 了 c 蕊 图 2 顶 底板 移 近过程 及连 续采 牒机 截剖位 置 在实 际冒落之前 下沉速度加快 了数分钟，并 超过临 界速度0 ． 3 英寸／ rai n ，然后减速 几 分 钟，移近速度监视 器发 出声响警报 ，使人和 机 器在顶板 冒落之前有足够的时间撤离。 确 定临界速 度 根据不稳定顶板的实际监测，可最 准确 地确定顶板下沉临界速度 及距 冒落 的时 间。 高原矿采区平巷跨距 约为2 O 英尺，其临界下 沉速度 确定为0 ． 0 2 5 英寸／ d 。 临 界速度 是根据 4个长壁盘 区中沿没有 采用辅助支架 的平巷所测的1 1 5 个顶板 下 沉 测值 取得 的 辅助支架 的安装能使顶板稳 定， 因此，靠近 辅助支架的测值未 列研究范围 之 内。 有7 4 个测点 的顶板下沉速度低 于0 ． 0 1 英 寸／ d ，而这些测点在平巷使 用期 间一直很稳 定 如 图 3 。下沉速度在 0 ． 0 1 ～ 0 ． 0 2 5 英寸／ d 之间的地点 出现顶板成 片剥 落。 有 1 5 个测点 所测的顶板下 沉速度超过0 ． 0 2 5 英寸／ d ， 均在 工作面位置以外发生 冒落。 冒落发生在临界 速度测得之后 的2 ～ l o d内 见图 4所示 ，该 间隔时 间足 以撤离危险区或补设辅助 支架 煤柱 回采的跨距 比较大，故其临界速度 比长壁平巷 的更高，距 冒落时 间更短。如 图 维普资讯 图 4 长 嬖 平巷 顶板 下沉 速度 随 时间 的变化 一 1 l 一一 ． ． ． 一 ⋯一一 瓣 麦 I - 二 皇 二 三 二 二 二 二 二 一 一 一 一一 一 8 2 0 l { fm 觏 }{ 蘩 匦 如f 。_ | _ 时I 图 5 高 原矿 回果煤 拄时顶 底 扳 移近建 度与 顶板 状态 ；所示， 图中表示平巷顶底板移近速度与顶 板状 态 的相 互 关 系 。 在 1 0 个移近速度低 于O ． 2 英寸／ rai n的测 点上 其顶板在监测期间一直 保持稳定。在 ；个速度大于0 ． 3 英 寸／ mi n 的测点 上 ，随 着 检 T劐到该速度之 后l 2 2 mi n 顶板就发生 了冒 落，测得移近速 度 在0 ． 2 ～0 ． 2 2 英寸／ mi n 之 间的各 点有轻度不稳定。这表明 大 于0 ． 2 英 寸．／ mi n 的 临界移近速度可能 等 于 0 ． 3 英寸／ 临界 速 度可 能 不 园地 而 定 有许多地质的、几 何形状 的、以及支护 的参数可能影响到临界速度及距 冒落时 间。 本研究认为临界速度是顶板跨度 的函数 ，但 对两个不同矿的研究并无显著差别．这 一现 象很重 要，它使本研究的结果可以推广 到其 它矿。当然，在其它各矿，还 要根据实测进 一 步证实其 临界下沉速度。 距 冒落时间是 困地而定的。它是地质、 支 架类型及顶板控制状 况的函数。 这些结论的根据见表 1及图 6。表 1 概 括了两个 西部煤矿及一个 中西部铜矿的临界 速度 及距 冒落时 间， 它们 的跨距均为2 0 英尺． 看来，0 ． 0 2 5 英寸／ d 的临 界速度适用予 这 三 个 矿而距冒落时 问则从 2 d 到l l d 不等。 图 5为高原矿和S f c o 煤矿煤柱回 采 区 大跨 距顶板的移近速度测值，其临界速度在 0 ． 2 ～0 ． 3 英寸／ mi r 范厨 内变 化， 距 冒落 时 间 在高原矿 明显短 些，平均为 l O mi n ， 而S u f c o 矿平均值为6 7 mi n 表 1 各 矿 的临 界 下沉 速 度 矿 名 } 界 座 i 距 菪 问 数据号 英 寸 ／ m in { d ． I 束记 录到冒顶 但 属不穗 区。 63 - 维普资讯 固6 阿个矿的顶底扳移近速度与顶托状态j 关系 顶板下沉速度显 示的前景 监测顶板下沉速度对确定潜在 的冒顶危 险很有甩处 ，有 了这种监测就 能在 检测 到顶 板下 沉临 界速度 之前一直进行开采 ， 而有 助于提高煤 矿的安全和生产率 检测 到临界 速度后仍有足够 的时间撤离 人员设备或装 设 辅助支架。 由于可 以免去对不稳定顶板情 况进 行推 测所省下 的时 间就能大大地提 高生产率 ，另 一 方面 因为连续采煤机不 致被埋 而降低 了开 采 成 本 。 在煤 矿中，顶板下沉临 界速度 及距 冒落 时阐的确定是 一项正在进行的研究，根据 顶 板 下沉速度 的监测可制定出美目 煤 矿 关 于 “ 检测即将发生 的日落” 的指南。 I 参考文献略 白赞成译 自 t 0 0 1 ， l 9 8 8 ，No 1 2 ， 周 伯春 按 ⋯ ⋯ l ⋯‘n u ‘ - t ’ ⋯’ p 一- 一⋯ - n ⋯r J ⋯一 ‘ 一 ⋯’ -⋯’⋯一 l _l ⋯ 上接第5 6 页 三 、 结论 研究结果表 明，就粉尘浓度监测的 目的 在于改进 防尘措施而论 1 ．个体粉 尘测量无疑 是评 价 矿工实 际 接触粉尘量的最适宜的测量 技术 。 ．CI P t 0 型个体粉尘采样 器最适 于个 体粉 尘测量 。 3 ．在有 特殊尘源鲍风 力充 填采煤工作 面的某些作韭场所检钡 j 到高浓度粉尘 ，需要 及 时采取有效的 防尘措施。 d ．在使 用刨煤 机的垮落法采煤 工作面， 由于尘源分 散，矿工的粉 尘接触量也有显 著 的差异 。 根据上 述十分重要 的初步结果 ，除已有 64 的定点环境粉尘 浓度测量 外，还 计划用CI P 一 1 0 型个体粉尘采样器对 采煤 工 作面 ，尤其 是各作业 场所的粉尘浓度进行系统的测量， 目的在于改进 防尘 措施 ，对潜在危险作出更 好的评价 ，形成长期的工人监督新 观念。此 外，C I P 一 1 0 型个体粉尘采样器还可用于 测量 固定点的环境粉尘浓度。 铝疗法的试验研究， 目的在 于稳定煤 矿 工人 尘肺病， 迄今为止 已取得 了重 要结果 。 但 是为 了对某些 问题进行进一步 的 试 验 研 究 ，计 划对数百名患者进行 铝疗法的长期试 验，以进 一步提高这些试验的统计意义。 黄声树、 张延松摘译 自 { Pr o e e e di n g s o f t he 2 1 s t I n t e r n a t i o na l C 01 1 f e r e l i c e o f s a f e t y i n M i n e s Re s e a r c h I n s t i t ut e s , ， 周伯 春 搜 维普资讯