翟镇煤矿二次煤工作面矿压显现分析与煤壁片帮防治措施.pdf

翟镇煤矿二层煤工作面 矿压显现分析与煤壁片帮防治措施 新汶矿业集团公司翟镇煤矿 何希林 摘 要 该文根据系统科学和现代矿压理论,从支架与围岩的宏观结构及煤体受力的微观机理出发,对翟镇 煤矿二层煤工作面煤壁片帮情况进行了全面、 深入的分析,提出了相应的控制措施。 关键词 上覆岩层 应力 片帮 突变 控制 根据工作面的矿压显现规律进行有效控制是确 保安全生产的前提。翟镇煤矿二层煤工作面煤壁片 帮持续不断,片帮块度大,来势突然,已成为一大安 全隐患,在一定程度上影响了生产。 1 二层煤工作面的地质及生产技术条件 翟镇煤矿二层煤厚度1. 0～3. 87m,平均1. 97m, 伪顶为厚0～0. 5m的泥岩,直接顶为厚0～3m的深 灰色粉砂岩,基本顶为细砂岩。工作面采用单一走 向长壁区内后退式一次采全高,全部垮落法管理顶 板,选用DY- 150型煤机落煤、 装煤,DZ22 - 25型单 体支柱与HDJA - 800型铰接顶梁配合使用。初采期 间实行了四五排控顶,正常推进阶段实行了三四排 控顶,走向排距0. 8m,倾斜柱距0. 7m,支护密度1. 785根/ m2。 2 煤壁片帮机理分析 2.1 工作面煤壁的二维受力状态和超前支承压力 的作用决定了煤壁片帮的可能性 随工作面自切眼开始推进,基本顶逐渐形成一 定的堆砌结构,作为传递上部整体岩重的作用不断 下降,但作为形成超前支承压力的 “载荷作用” 却不 断增强,超前支承压力明显增大。当上覆岩层受到 充分采动后,支承压力将趋于稳定,据三维有限元计 算,其大小不低于3γH。 γ 上覆岩层平均容重 H 采深 在强大的支承压力的作用下,工作面前方的煤 体将形成两个应力区弹性区和塑性区。弹性区是 上覆岩层整体重量决定的应力区,煤体处于弹性变 形状态;塑性区是已断裂岩梁自重决定的应力区,该 区域内的应力超过了煤体强度,使其产生了一定程 度的塑性变形,如图1所示。 图1 工作面超前支承压力区分布图 在塑性区范围内,煤体的应力平衡条件为 σyzσxσo σyz 底板对煤层的反力,大小等于超前支承压 力 σx 煤体的水平压力 σo 煤壁塑性区残余抗压强度 在煤壁处,其边界条件为 σx| x 0 0 即煤壁处的煤体处于二维受力状态,失去了煤 体水平应力,主要由煤层与顶底板的粘结力和煤层 内的粘聚力决定煤体的平衡状态。这在宏观上表现 为煤体具有一定的残余抗压强度,但在应力作用下, 煤体的粘聚力已明显降低,形成被众多节理、 裂隙包 围的,由多个单元体构成的块体堆,块体之间拉应力 几乎为零,但相互间还存在压力和剪应力。此时,煤 壁的力学平衡条件为σyz ≈ σ o 2.2 工作面支架与围岩的 “定变形” 关系是导致煤 壁片帮的根本原因 3 2000年增刊 山东煤炭科技 据SA hm- Mzk - 1 SA基本顶岩梁的实际沉降值 hm采高,取2m Mz直接顶厚度,取3m k直接顶碎胀系数,取1.3 得SA 1.1m 可见,由于直接顶不能充满采空区,直接顶始终 受到基本顶的给定变形作用,支架和围岩的相互作 用关系主要是 “定变形” 关系。在此情况下,煤壁作 为基本顶岩梁结构的支点,始终受到上覆岩层的载 荷作用。在来压的相对稳定阶段,基本顶岩梁的位 态相对稳定,煤壁所受的载荷较小;在来压显现阶 段,基本顶岩梁将出现明显回转,煤壁所受的载荷将 大大增加。总之,支架与围岩的大结构决定了煤壁 片帮是不可避免的,而且在来压条件下还会明显加 剧。由观测发现,随着采高的变化,煤壁片帮的剧烈 程度也存在显著差异见表 1 。 表1 工作面矿压显现情况汇总表 类别 采高mm支柱载荷MPa顶板下沉量mm活柱缩量mm片帮程度 相对稳 定阶段 2.0 - 2.21719113一般 2.5 - 2.72325620明显 来 压 阶 段 2.0 - 2.219.426122一般 2.5 - 2.72528927明显 2.0 - 2.22127424明显 2.5 - 2.724.731431剧烈 Pe 241.3lnlf 52.6hm- 15.5N Pe 基本顶来压当量 lf 基本顶来压步距 N 直接顶充填系数 N Mz/ hm 可见,基本顶的来压当量主要决定于来压步距, 同时采高和直接顶的充填程度对其也有一定的影 响。随着采高的增大,直接顶的充填程度减弱,基本 顶的实际下沉空间增大,致使来压当量明显增加。 随着采高的增加,煤壁的稳定性会明显降低,在来压 当量增加的前提下必然会导致片帮。经观测,采高 在2.0～2. 2m的区段,片帮深度在300～1000mm之 间,来压期间片帮深度在1000mm左右;采高在2.5～ 2.7m的区段,一般片帮深度都在800mm以上,最严 重时可达2000mm。 2.3 煤壁片帮的具体显现形式 经观测,片落的煤体块度大,棱角分明,主要沿 煤体的主地质弱面片落。这说明二层煤煤体的刚度 较大,在支承压力作用下虽出现了一定程度的塑性 变形,但仍贮存了一定量的弹性能,正由于弹性能的 存在,有可能使煤体不再以渐变方式继续产生塑性 变形,而是以突变的形式,形成贯穿煤体的大裂隙, 并以大裂隙为界面促成煤体单元的突然分离,致使 煤壁片帮。 3 控制措施 3.1 努力加强工作面质量管理 工作面必须作到 “三直”煤壁直、 溜子直、 支柱 直 , 割煤严禁出现伞檐,切实加强工作面的支护质 量监测工作,确保支护强度,实现对上覆岩层有效的 限定变形,尽量减少煤层的压缩角,减弱顶板对煤体 的压缩程度,从而有效地防止片帮。 3.2 坚持 “支与护” 并重的原则 高挡普采工作面的支护系统是由顶板、 顶板垫 层、 支柱、 底板组成的串联的力学体系,通过 “支” 确 保支柱初撑力,通过护顶和穿鞋保证和提高顶底板 刚度,是提高整个系统强度,控制顶板下沉量的有效 方法。 3.3 加强工作面切顶排管理 当采空区存在大面积悬顶时,由于在直接顶的 悬壁梁作用下,更重要的是在较高位态的基本顶作 用下,工作面将会出现明显的矿压显现。因此,必须 强化二次注液的支护措施,严禁低压支柱进入放顶 线,当悬顶面积过大时,应停止作业,立即强制放顶。 3.4 留顶煤降低采高 这样一方面可以避免留底煤时软底对支护强度 的影响,另一方面可以在一定程度上改变煤壁的二 维受力状态,使煤壁和顶煤连成一体,形成一定的水 平应力,从而有利于防止煤壁游离单元体的生成以 及对生成后的单元体进行稳定控制。 3.5 对煤体进行中深孔注水 可以有效地改变煤体强度,减弱片帮程度,甚至 消除片帮现象。该方法技术含量高,工序复杂,较难 实施。 作者简介 何希林 男,1963年生,山东省新泰市 人,山东科技大学采矿本科毕业,高级工程师,现任 翟镇煤矿副矿长,曾在有关刊物发表论文多篇。 4 山东煤炭科技 2000年增刊