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中小型煤矿浅埋厚松散层薄基岩下安全开采 高召宁 1, 3 ,石平五 2 ,姚令侃 3 1 1安徽理工大学,安徽 淮南 232001; 21西安科技大学 能源学院,陕西 西安 710054; 31西南交通大学 土木工程学院,四川 成都 610031 摘 要针对陕北煤田中小煤矿采用的长壁留煤柱开采,防灾减灾的技术目标是区分两类不同性质 的煤柱,即区内煤柱和区域间的隔离煤柱,实现隔离小区域的适时无灾害垮落,防止跨隔离区的大 范围垮落。建立防止大型顶板事故的 “ 设计-诊断-监测-识别-对策 ”体系。 关键词中小型煤矿;浅埋煤层;留煤柱;整体垮落 中图分类号TD823153 文献标识码 A 文章编号 0253 - 2336 2006 01 - 0048 - 03 Safety m in ing operation of medium and small coalm ines under thick loose layer basic rock in low depth GAO Zhao2ning 1, 3 , SH I Ping2wu 2 , YAO Ling2kan 3 1.Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China; 21School of Energy, Xi˜an University of Science and Technology, Xi˜an 710054, China; 3.School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031, China Abstract Base on the longwall coalminingwith coal pillars applied in the medium and s mall coalmines in the Shaanbei Coal Field, the technical targets to prevent and reduce the mine disasters are to classify t wo different feature coal pillars .They are the coal pillarswithin the mining section and the coal pillars between the coalmining sections .Those coalpillars are to have no disaster roof failure in the min2 ing section and to prevent a large area roof failing between themining sections during themining operations .A “ design2diagnosis2moni2 toring and measuring2identification2counter measures“ system to prevent a large roof accidentwas established. Key words medium and s mall coalmines; seam with low depth overburden;coal pillars; roof completely failing 基金项目国家自然科学基金资助项目50278080 ;国家自然科学 基金西部重大研究计划90202007 1 概 述 长期以来,由于柱式开采体系在我国不合法, 因而对它的研究非常少,且在一个很低的层面上。 一个不可回避的事实是,这类采煤方法占到我国煤 炭产量的40～50 ,还将在相当一段时间内存 在。这些矿顶板事故频发。显然,研究顶板事故, 并发展有效的监测系统,才能从根本上改善我国中 小煤矿的安全。 陕北煤田中小煤矿浅部开采中发生的大面积顶 板垮落,不同于坚硬和极坚硬顶板条件下发生的大 面积顶板垮落灾害,它是为了防止浅埋煤层在厚松 散覆盖层作用下薄基岩整体切落,在采空区保留支 撑煤柱,从而形成顶板大面积悬露不垮导致的。事 实上,神东公司的特大型矿井,采用长壁开采,使 用高工作阻力的液压支架,就没有发生大面积顶板 垮落灾害,而且实现了高产高效安全开采。据参考 文献[6～9 ],初次来压步距一般在50 m以内, 不需要实施强制放顶,因此,陕北煤田大都属于 Ⅰ、Ⅱ 级基本顶,而非 Ⅳ 级基本顶。这就说明,如 果选择高工作阻力支架,长壁综合机械化采煤,就 可以避免顶板的大面积垮落灾变的危险性。问题 是,高工作阻力长壁综合机械化采煤需要高的投 入,是合法化的中小煤矿所不能承担的。因而不得 不研究中小煤矿采用留煤柱支撑采空区可能发生的 灾变危险性,并在此基础上,研究防灾减灾的技术 途径。 2 长壁留煤柱法开采 大柳塔煤矿C202工作面开采2 - 2煤层 ,厚度 318 m,倾角约3,埋藏深度平均65 m。直接顶厚 度一般3 m左右,粉砂岩、砂质泥岩。基本顶厚度 1713 m,岩性为砂岩和砂质泥岩。开采区上方烧变 84 第34卷第1期 煤 炭 科 学 技 术 2006年1月 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 岩厚度20 m左右,再上方为毛乌素沙漠现代风积 沙覆盖层。工作面长度为102 m,采高212 m,爆 破落煤,日进1循环,循环进尺112 m。采用 HZ WA摩擦支柱配合HDJA - 1200铰接顶梁支护, 全部垮落法管理顶板。观测期间经历了6次周期来 压,每次来压都发生了工作面切顶。郭家湾煤矿开 采平均厚度2 m左右的3 - 2煤层 ,据调查,初次来 压步距45 m左右,周期来压步距20 m左右,来压 时沙漠覆盖层可以明显看到裂缝和台阶。单体支柱 在使用过程中损坏极为严重,因而在长壁工作面布 置的基础上留小的方形煤柱支撑采空区顶板,逐步 形成了长壁布置小区域隔离留煤柱支撑采煤法。 即使是特大型矿井,综合机械化采煤工作面, 如采用的液压支架工作阻力不够,也会发生灾害。 大柳塔1203综采面开采1 - 2煤层 ,埋藏深度50～ 60 m,煤层平均厚度613 m,采高一般控制在4 m 以内。工作面使用YZ - 3500 - 23 /45一次采全高 液压支架,在工作面初次来压时,顶板沿煤壁中部 约90 m范围被切断,约31 m范围内切顶台阶高达 1 m,部分支架被压死。4 d内地表出现纺锤形展 布的塌陷坑。第4天机尾出现涌水溃沙现象,致使 工作面停产整修。 3 长壁留煤柱采煤法的特征 1工作空间依靠支架保护防止局部冒顶。 任何一种采煤方法的合理性,首先必须保证生产安 全。长壁留煤柱采煤法不仅采用长壁布置,而且它 的一个重要特征是作业区设有支架。依靠支架防止 顶板的局部冒落。凡是不支护的区域,工人不再进 入。这一特征是它与旧式房柱式开采的根本区别。 2以有效隔离的小区域无灾害垮落防止跨区 域的大面积垮落。神府矿区中小煤矿初期开采的实 践表明,大面积顶板垮落是威胁矿井生产安全的重 大灾害。采用小区域隔离,以小区域无灾害垮落防 止大面积垮落的采煤方法,是从陕北浅埋煤层实际 出发的一种可行的中小型煤矿适用采煤方法之一。 小区域内采出率达8819 ,相当于长壁面内的采 出率也有85。 4 长壁留煤柱采煤法的关键技术 长壁布置小区域隔离区内留煤柱采煤法的关键 技术,是区分两类不同性质的煤柱,即区内煤柱和 区域间的隔离煤柱。区内煤柱是指在区段或小区域 开采期间暂时保留在区内的煤柱,以保障在区内开 采煤房和回收煤柱期间作业区的顶板安全。隔离煤 柱是指在区段或小区域间保留的相对稳定的煤柱, 以有效的隔离已采空区域和工作区域,保证已采空 区域的顶板垮落不危及工作区域的安全。而在开采 完一个小区域后,下一个小区域开采时,在隔离煤 柱有效隔离前提下,区内煤柱应能整体失稳破坏, 实现小区域的无灾害垮落。陕北煤田中小煤矿应用 的长壁留煤柱开采的关键技术,就是科学地设计和 处理两类不同性质的煤柱。 5 长壁留煤柱开采顶板事故力学分析 511 长壁留煤柱开采围岩破坏运动过程 陕北煤田浅部开采顶板大都不属于坚硬顶板, 大面积垮落是在特定的条件下产生的。即小煤矿采 用单体支柱难以抗御浅埋煤层较为剧烈的矿压显 现,在采空区保留煤柱以支撑顶板防止切落。在有 限煤柱群的支撑下,顶板可能形成大面积悬露不 垮,最终导致大面积顶板的整体垮落。它的垮落过 程是 “ 顶板-煤柱 ”相互作用的结果,其实质可 以概括为有限强度有限煤柱群支撑下的顶板破断过 程。 1隔离区域内顶板-煤柱变形破坏发展阶 段。开采在隔离区内进行,工作面推进的初期,顶 板和煤柱都处于弹性变形阶段。随着工作面推进, 顶板悬露面积加大,煤柱开始压缩,顶板下沉量加 大。据现场观测,当工作面推进约60～70 m时, 后方开切眼附近的煤柱约下缩1 /5～1 /4。说明煤 柱有明显的变形,而且逐步超出了一般塑性变形的 范围,进入岩体的后破坏范围。这时在开采区域的 周围,顶板的裂隙也不断发展。 2顶板破坏隔离体形成阶段。随着工作面 推进,煤柱变形增大,顶板下沉量增加。二者相互 作用,顶板的裂隙发展到裂缝之间贯通,最终到小 区域开采结束,完全贯通形成一个脱离于原岩体的 隔离体 大六面体。六面体的形成,构成了发生 垮落的基本条件。 3顶板垮落阶段。六面体的形成,其重量 完全作用于支撑它的有限煤柱群上,煤柱载荷急剧 增大。煤柱迅速垮塌,顶板整体垮落。此时开采在 区域隔离煤柱外的下一个小区域进行。 512 “ 顶板-煤柱 ”相互作用下灾害发生过程 1在限定的开采区域内煤柱体强度偏大,整 94 第34卷第1期 煤 炭 科 学 技 术 2006年1月 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 个隔离区开采结束由于煤柱并没有进入破坏后的破 坏发展阶段,煤柱支撑的顶板未形成脱离于原岩体 的大六面体,就可能形成跨几个区域而不垮落,形 成大面积垮落的危险性。 图1 防止大型顶板事故的 “ 设计-诊断-监测-识别-对策 ”体系 2在限定的开采区域内煤柱体强度偏小,在 整个隔离区开采还未结束,由于煤柱强度偏小,煤 柱支撑的顶板当开采推进到某一距离,就已形成一 个面积小于隔离区的脱离于原岩体的六面体,压垮 有限煤柱群形成大面积垮落。这种灾害十分危险, 因为它发生在开采区域,还可能沿煤壁切落,造成 人员伤亡。 6 防止大型顶板事故的 “ 设计-诊断-监 测-识别-对策 ”体系 陕北煤田中小煤矿采用的长壁留煤柱开采,防 灾减灾的技术目标是,实现隔离小区域的适时无灾 害垮落,防止跨隔离区的大范围垮落。关键技术是 区分并合理设计两类不同性质的煤柱,这也是控制 设计的核心。通过对陕北煤田中小型煤矿采用的长 壁留煤柱开采的研究,我们提出了防止大型顶板事 故的 “ 设计-诊断-监测-识别-对策 ”体系, 如图1所示。 7 结 论 长期的实践证明,在陕北浅埋厚松散层薄基岩 这种特定地质条件下,中小型煤矿采用长壁留煤柱 法开采是可行的 。陕北煤田浅部开采顶板基本不 属于坚硬顶板,大面积垮落是采用单体支柱难以抗 御剧烈的动压,在采空区留煤柱以支撑顶板防止切 落的结果。 长壁留煤柱采煤法的关键技术是区分两类不同 性质的煤柱,即区内煤柱和区域间的隔离煤柱,科 学地设计和处理两类不同性质的煤柱。针对陕北煤 田中小煤矿采用的长壁留煤柱开采,防灾减灾的技 术目标是,实现隔离小区域的适时无灾害垮落,防 止跨隔离区的大范围垮落。建立防止大型顶板事故 的 “ 设计-诊断-监测-识别-对策 ”体系。 参考文献 [1] 潘伟尔.2003年煤炭经济运行评析[J ].中国能源, 2004 3. [2] 宋振骐.关于煤矿安全开采决策关键技术的基础研究的建 议[J ].煤炭学报, 1994 1. [3 ] 毕华照,宋振骐,乔福祥,等 1 煤矿顶板事故的防治 [M ].北京煤炭工业出版社, 1988. [4] 徐景德,王家棣.1980年以来国有煤矿重大事故特征分析 [J ].中国煤炭, 1996 8. 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