浓干一改革采煤方法口.pdf

， 删 干 但， ’ ， 午碌 浓 第 2 0卷第 3期 煤 田地质 与勘探 干 口， 一 寸 ， 改 革 采 煤 方 法 防 治 底 板 突 水 郭 惟 嘉 连 传 杰 刘 利 民 山 东 矿 业 学 院 泰 安 2 7 1 0 1 9 T PT c t 2 - 一 一 一 ， ‘‘ 摘要通过现场实测和室内研究表 明， 采煤技术因素对底板突水 的影响很大。如何 防治底板 突水， 这里指出了一条改革栗煤方法的途径 。 关 奠调突水 } 矿 山 防水 } 采煤 方法 中目 囝书 资料分 类 法分类 号T D7 4 5 ． 2 开采煤 层的底板承压水突出， 是一种多 因素水文地质现象 。为防治这种严重威胁矿 井安全 的水 患事故 ， 在华 北石炭二 叠 系煤 田 采取的是截、 排 、 琉、 堵措施。 通过现场实测资 料和室 内实验研究， 说明采煤方法和工艺的 合理与否直接影响底板突水。现就不同采煤 技术因素对煤层底板岩体的力学作用和对 突 水的影响作以讨论； 以图说明改革采煤方法 对 防治底板 突水 的重要性 ， 为 深入研 究 防治 水措施提供参考 。 1 采煤技术因素对底板突水的影响 采 煤工 作面的底 板承 压水 突出 ， 主要 受 构 造破 坏 因素 的控 制和 水压 、 矿压等 因素 影 响。 但在某一具体地段、 开采活动是否能导致 煤层底板突水则与采煤技术因素密切相关。 根据井陉、 邯郸、 峰峰、 开滦矿区数十次突水 资料分析， 以及我所 山东矿院特采所 在这 些矿区十几个采面的现场综合观测所得， 对 底板突水产生影响的采煤技术因素主要表现 有 1 ． 1 采煤工作面斜长 采煤工作面斜长的变化 ， 影响着悬顶面 积和老顶岩梁的跨落步距 近几年来， 工作面 斜 长对底板破裂带及 隔水层稳定性 的影 响 已 逐渐被 人们所认识 参考 文献[ 1 ] 列 出了我国 数个 矿井十几 个工 作面 的实际观 测数 据 ， 并 用逐 步 回归的方法 ， 给 出了采 面工作面 斜长 与底板破裂带深度呈线型变化的统计关系 式 ． 作者 在实验室 条件 下 ， 对 以 自重应力为主 和存在 着显 著构造 应力的初始围岩 应力条件 下 ， 不 同采煤工 作面斜 长开 采引起二次 应力 场变化进行了研究0 ] 。 结果表明， 在以水平应 力为主 、 构造应力较 小的大 多数情况 下 唾 i ， 采 空底板拉应 力区深度及 煤壁 周边 应力集中与采面开采斜长成正 比 图 1 。即 在一定地质开采条件下， 工作面斜长增加， 煤 壁处底板 应力集 中程 度增加 ， 破裂 带深度 增 加 ， 底板岩体更易破坏 失稳而发 生突水 。 图 1 采 面周 边应 力 与开采 斜 长关 系 工一 采面 斜长 ； d 一 应力 维普资讯 第 3期 郭惟 嘉、 连传 杰等 改革采煤 方法 防治底板突水 4 1 1 ． 2 工作面的悬顶距 回采工 作面 悬顶距 老顶 岩层 的来 压步 距 对底板 突水 的影 响较大 。悬顶距大 ， 老顶 来压强度增大 ， 容易触发 突水 f 悬顶距 小则 反 之 。 对 现场 数十 次突水事 例资料分 析 ， 其中属 老顶初 次来 压阶段 突水的就有 4 4 ， 其原 因 主要是初次来压时工作面悬顶距较大 ，较大 的悬顶 距还会造 成顶板 大面积强烈 冒落 ， 产 生冲击 效应 ， 对 防止底板 突水更 为不利 。图 2 为某矿工作面底板裂隙突水量随工作面来压 情况变化曲线。根据有限元计算不同初次来 压及周期来 压时 ， 采空底板 2 m 处 的应力集 中如 图 3 1 ． 3 采面突水点位置 从 位置上看 ， 绝大 多 数突水 点距 采面开 切 眼的距离 为初 次来 压步距或周期来 压步距 附近 ， 采 空区周边 剪切带 内侧 ， 靠 近煤 壁 1 ～ 5 m处。根据统计分析确定采煤工作面承压 水 突 出地 点分 布概 率 P 与到 采煤工 作面煤 壁的距 离 L之 间的关系如 图 4 。该关 系具有 双 曲线形式 ， 用回归方程表 示为 P一 0 ． 6 ／ L 一0 ． 0 5 y 一0 ． 9 4 1 ． 4 开 采深 度的 影响 开采深度 日 直接影响着原岩应力大 小 ， 因而也就影响着开采后工作面周围岩层内支 L c m } 图 2 裂 晾出水量 和工 作面 来压关 系 。 _ _ 出水量l 上 广 ． 来压步距 f 上 。 一韧戎来压， 厶 ， 。 厶 ． 一 周 期来压 图 3 底板应力集中与来压步距的关系 卜 应力集中系数； 工 一来压步距 l l 一初擞 来压 I 2 一周期 来 压 L m J 图 4 实水点分布概率 P与到采面距离 L关系曲线 1 一理论 回归曲线 ． 0 一 瑗场统 计 曲线 承 压力 的峰值大 小 从这个意义上讲 ， 开采深 度 日 对采面底板附加应力大小影响明显 但 从目前掌握的资料分析， 开采深度 日 对回采 面底板 破坏深 度大 小的影 响并不 突出 ， 主要 是 对底 板岩层塑性变形 区深度影响较大 。图 5给出了有限元数值计 算 日 对底板 的影响 情 况 。 除此 以外 ， 随着开采深度的增加 ， 具 有岩 石 冲击 的矿 井 ， 开采过 程 中形 成岩 石冲击 的 次数和强度都将增加。 同时， 由于支承压力增 加， 可能使回采工作面底板底鼓现象增加， 这 对 防止底 板突水显然不利 。 维普资讯 4 2 煤 田地质与勘探 第 2 O卷 E 1 - l m J 图 5 有 限元计 算采 深对 底板 的作 用 H一果繇 ； L 一底板繇 度 l 一 拉应 力破坏 深度曲线 2 一底板塑性影响曲线 2 改革采煤方法以防治底板突水 在 影 响开 采煤 层底 板 突水 的 众多 因素 中， 采动矿压起到诱导、 触发作用， 它是主要 因素之一。通过改变采煤技术就可人为调节 控制采动矿 压及其在底板的显现 。 所以 ， 在一 定的水文地质条件下， 合理而因地制宜地选 择开采方法 和工 艺 ， 是 防止 突水水 患的一条 重要途径 2 ． 1 无煤柱开采 现场矿 井 突永 资料分 析表 明 ， 底 板 突水 多数发生在采面上下顺槽， 即区段护巷煤柱 附近 ， 其 中， 上顺槽 附近 突水概率为 0 ． 3 3 ， 下 顺槽附近突水概率为 O ． 2 4 。 主要原因是煤桂 为 传递 上覆 岩层压 力的 媒介物 ， 它将 萁上较 高的支承 压力传递 到底板 岩层 内， 使底 板 受 较大 影响的岩层发生变形破坏， 并常常引起 底臌 ， 如图 6所示 。所以， 有条 件的矿井应用 无 煤柱的 开采方法 ， 即“ 沿 空留巷 ， “ 沿 空送 道 等 ， 可以减少或避免造成局部煤柱上应力 迭加集中现象， 使采空底板岩层处于低均压 状 态 ， 减少 底板 突水事故 的发生 2 ． 2 短 壁开采 现 场实测 及室 内相 似 材料模拟 表 明 ， 在 以岩体 自重 应力 为主 的大 多数地 质条 件下 ， 回采 工作 面斜长 和底 板 破裂带深 度成 正 比 。 如把采空底板隔水层视为单位宽度的双端嵌 固梁 ， 萁梁上承受 的载 荷 P 为水 压、 矿 压、 岩 重 迭加 ， 可 近似看成 向上 的均布 载荷 0 。根 据梁 的破裂 理论 ， 嵌 固梁两端有 最大 弯矩 1 肘 一 PL 图 6 煤 柱 上应 力迭 加示意 图 注 。 圈上部为应力选加曲线 式 中 ； P 水 压 、 矿 压 、 岩重 迭 加 作用 在 隔水 岩层 上的力 P a ； 采面的开采长度 m 。 最大正应力 6 M 一 ／ 一PL2 ／ 2 h 式中 隔水岩层厚度 m 。 要使隔水层不破坏 ， 需有 a P L ／ 2 h ≤[ ] 式 中 ] 岩石抗拉强度 P a 。 显然， 适当缩短回采面斜长的短壁开采有利 于减少底板破裂带深度， 有利于增强底板的 稳定性 。 我所 在井 陉三矿 4 7 0 7 、 5 7 0 1 工 作面 ， 应用 4 0 m、 5 0 m 长度短壁工作 面开 采 ， 实 测 底板 破裂带 深度仅 为 3 ． 5 r D ． 和 4m， 底板 岩 层没有发生底臌失稳现象 ， 成功地实现 了有 严重“ 奥灰” 突水危险条件下的安全开采。 2 ． 3 坚硬顶板 的人工放 顶 当顶板 坚硬不易 冒落而形 成悬顶跨距过 大时， 将造成采面前方煤壁底板应力集中加 大 。表 1为室 内数据模拟不同顶板悬顶跨度 时的底板应 力集 中系数 同时 ， 悬 顶跨 距过 大， 还易造成顶板冒落时的冲击效应， 对防止 突永更 为不 利 所 以， 坚硬顶板的人工放顶 ， 减步 悬顶面 积 ， 降低来压强度 ， 促使回采过程 维普资讯 第 3期 靴惟嘉、 连传杰等 改革采煤方 法 防治底板突水 4 3 中顶板正常 冒落 ， 保持正常压力 ， 是坚 硬顶板 条件下 防止 突水 事故 的重 要措 施之一 。 丧 1 悬1 页跨度与应力集中关系表 底 扳 探 度 盎顶跨度 m m 1 2 1 8 24 3 0 2 1 5 0 1 ．5 4 1 ． 6 0 1 62 7 1． 2 5 1 27 1 ． 3 0 1 ． 35 1 3 1 ． 1 3 1 ． 1 4 1 ． 1 6 1 ．1 6 1 9 1 ． 0 7 1． 0 8 1 ． 0 8 1 ．0 8 2 ． 4刀柱法开采 刀桂式管理顶板 ， 其特点是在开采地点 及 采 空区不让顶 板垮 落 ， 每隔一定 距离 留设 煤 柱 。 临时性 的支承顶板岩 层 ， 使工作面不 出 现 明显的来 压现象 ， 以减 轻矿 压对底 板 的破 坏作用 。 这 种方 法适 合应用在直接 顶较坚硬 ， 底板隔水层较薄 ， 水压力较大的条件下。 一般 其回采率为 7 O ～8 O 。 如山东局潘家庄煤 矿开采受底板徐家庄灰岩水严重威胁的 1 9 层煤 ， 1 9 8 2年长壁 法开采造 成底板底臌 突水 淹井事故 。后 排水恢复生产 ， 应用采 1 0 m 留 6 m 煤 柱 中穿切巷 遭 的刀 柱法 开 采 ， 顶 板 不 出现 明显的来 压 ， 刀柱 起到 临时支承 顶板 的作用。 在顶板岩层缓慢下沉采过两刀柱后 ， 煤柱被逐渐压酥、 垮塌 ， 底板受扰动程度大大 减少 ， 没 有发 生突水现象 ， 实现 了矿井 多年安 全带压开采 。 2 ． 5 均 速推进开采 带压开 采的实践 表 明 ， 采 面停 采后 往往 会发 生底板 突水 事故 ， 这是 由于停 采使煤 壁 前 后超前 支承 压力 区的应力 聚集 增大 ， 作 用 时间长， 从而使煤壁底板遭受破坏加重所致。 所 以， 采煤 工作面应保持均速 连续地推进 ， 不 要使采 面在一 个地 方长期 停 留， 特别 是断裂 构造带 附近 。 由于受到各种条件的限制， 目前对采煤 技 术因素 与底板 突水关 系 ， 以及 改 革采煤 方 法 防止底 板突 水的研 究工 作还 是很初 步 的 ， 许 多问题还 需进行深 入探 讨和 进行 大量 现场 实际验证 此文拟起抛砖引玉作用， 同时期待 这一课题经过深入研究取得更优成果， 以使 我国开 采煤层底板承压水的 防治技术更加合 理 、 完善 。 参 考文献 1 李白蔓． 预防采摘工作面底植臭承的理论与实践 第二十二届国际采矿安全会议论文集． 北京 煤炭 工业 出版杜 ， 1 9 8 7 ， 7 0 2 7 0 4 2郭惟 嘉． 地质 构造 应 力对底 板 突 承影响 初 探． 煤 田 地质与 勘探 ． 1 9 9 0 ， 1 ， 4 4 ～4 6 3 葛亮涛 美于煤矿底璇水力学机翩的撵讨． 煤田地 质与勘 探 ， 1 9 8 ,8 ， 1 ， 3 3 ～ 收祷 日期1 9 9 1 0 9 1 4 A D poRTANT W AY To CoNTRoL FLooR W ATER I NRUS H BY I M PROVI NG M I ND G M ET HoDS G u o We i ] i a L i a n C h a n j i e L i u L i mi n S he n d o u g Mi n i n g I n s t i t u t e Ab s t r a c t Fr o m i n v e s t i g a t i n g a t f i e l d a n d l a b o r a t o r y， t h e c o a l mi n i n g me t h o d a n d i t s t e c h ni c a l p a r a me n t h a v e a mu c h e f f e c t o n c o nt r o l i n g f l o o r wa t e r i n r u s h ．Th e i mp r o v i n g mi n i n g me t h od s a r e a i m p o r t a n t wa y t o c o n t r o l flo o r wa t e r i a r oa h ． Ke y wo r d s wa t e r i n r u s h mi n e wa t e r c o n t r o l ； c o a l mi n i n g me t h o d 维普资讯