局部煤柱下安全采煤技术.pdf

第 2 9 卷 第1 0 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 1 年1 0 月 局 部 煤 柱 下 安 全 采 煤 技 术 杨， 亡 玉．贺兴元 t 新泣矿业l 集 团有限责任公百 J翟镇煤矿 ．山东 新 泰2 7 1 2 2 2 摘要 以系统科学和控制沧的基本思想为指导．通过对局部煤柱下采煤的矿压显现分析 ，采取 了 一 些相应 的具体控制措施，对安垒生产具有一定的指导定义。 关键词 煤柱下呆煤 ；矿压显现；控制 中图分类号 T D 8 2 3 ． 5 3 文献标识码B 文章编号 0 2 5 32 3 3 6 2 0 0 1 1 0 0 0 1 60 4 S a f e t y c o a l mi n i ng t e c h no l o g y wi t h pa r t i a l c o a l p i l l a r s YANG Gu a n g y u．HE Xi n gy u ml Z h d 吐P M 城 “ i n gG r o “ PC z n p a n y L t d Xi n i 2 7 1 2 2 2．C 6 i n a 在煤矿开采过程中，受地质条件的影响 ，不可 避免地要 留设部分煤柱 ，如果上下分层之间的层间 距小于 3 0 1T I ，下层煤开采时将受到上层煤柱所形 成的集中应力影响，对下层煤 的开采带来不安全因 素 因此研究煤柱下安全采煤技术是十分必要的。 1 概 况 翟镇煤矿 3 4 0 1 W 与 4 4 0 3 W 面都不同程度的存 在上层工作面回采时留设的局部煤柱情况见图 1 。 b 图 1 煤柱 留设 情况 1 1 顶底扳状况 3 4 0 1 W 工作面 图 1 a 直接 顶为粉砂岩 ，性 脆 ．中间含煤 4个分层 ，厚 0 ～7 ． 5 1 T I ，为典 型的 I 6 复合顶板 ，直接底为泥质粉砂 岩，厚 0 ． 5 --3 ． 6 1T I ， 性脆 。 4 4 0 3 W 工作面 图 1 b 直接顶为 0 ～1 ． 5 1T I 厚 的泥质粉砂岩，性脆，伪顶为 0 ． 2 ～1 ． 0 1T I 厚的炭 质泥岩 ，易 冒落 ，老顶为 3 ． 0 ～5 ． 51T I 厚的细砂岩 ， 直接底为 0 ． 2 ～1 ． 5 1T I 厚的泥质粉砂岩 。 1 2 煤柱赋存状况 3 4 0 1 W 工作面上覆 煤柱共 有 3处 ，自西向东 依次分别为 第一处煤柱对应于 3 4 0 1 W 下部 ．走 向长 2 7 01 T I ，倾 向平均 4 51T I ，形状极不规则 ，该采 区段 2 、4煤层间距 平均 l 3 ． 2 m，且 3 4 0 1 W 面断 层裂隙发育 ；第二处煤柱对应于全面，东部形状不 规则 ，走 向平均 1 2 01T I ，倾 向 1 7 01 T I ，此处 2 、4煤 层问距 l 6 ～2 3 m，工作面 中上部 为背斜构造 ；第 三处煤柱对应于 3 4 0 1 W 中上部以下，走向平均 2 7 ． 5 m，倾向 1 0 3 1T I ，形状较规则 。 4 4 0 3 W 工 作面上覆 煤柱有 2处 ， 自西向东依 次为第一处对应于 4 4 0 3 W 面开切眼位置 ，走 向 1 8 m，倾 向 1 1 8 m，2 、4煤层间距 2 4 m；第二处 煤柱对应 于 4 4 0 3 W 面上部 ，走 向 1 8 0 m，倾 向 2 2 m，形状不规则 ，2 、4煤层间距 2 01T I 。 2 煤柱下采煤矿压显现机理 2 1 煤柱下采煤压力显现概况 当工作面接近 2煤层煤柱边缘时 ，压力状况基 本稳定正常 ，在进入煤 柱下 l 0 ～3 0 m 范围时，顶 板状况开始恶化，压力显现趋于明显 ，“ 三量 ”变 化趋于增大 ，见表 1 维普资讯 第2 9 卷 第1 0 期 煤 炭科 学 技术 2 0 0 1 年1 0 月 表 1 3 4 0 1 w 工作 面 “ 三量”变化对 比分析 煤壁上部 明显变酥 ，片帮深度 3 0 0 ～5 0 0 I -i q ． 1 f ] ， 顶板冒顶现象时有发生 ，冒顶高度 2 0 0 ～5 0 0 n m 因 5处煤柱的位置 、尺寸、形状及本区段地质条件 各有差异 ，其集 中应力的显现程度也各有不同。在 剧烈影响段．出现过顶粱折断，支柱压崩现象。支 柱载 荷平 均 2 7 ． 5 MP a ，顶 底板 移近 量 平 均 3 1 0 n 一，超过控制顶板下沉量允许值。同时．煤壁片 帮平均 4 0 0 n 1 m，最大 1 1 o 0 n 1 m，顶板破碎段较为 普遍 ，轨道巷顶板局部出现裂隙 ，且冒顶形状多数 形成 “ 人”字形 ，也 曾出现过项板 台阶下沉 ，有阶 错距 1 0 0 --4 5 0 n m 。 2 2 煤柱集中应力的形成 2 2 1 集中应力的形成 受不同条件 的影响 ，留设煤柱后 ，因煤柱周围 -- JJ 或多侧为采空区，在采空区不断冒落、压实过 程中，上方岩体的部分重量及采动过程中形成的超 前支承压力便集 中于煤柱之上 ，形成集中应力，待 稳定后，其应力集 中系数可达 2 ～3 ，此时 ，底板 岩层处于上覆岩层增大了的静压作用下 ，并随着煤 层的开采 ，煤柱集中应力开始由静压 向动压转变 ， 而动压一旦形成 ，围岩应力又将重新分布，在此过 程中，上覆煤柱的集 中应力将达到 3 ～5 y H y岩层容重，H 采深 ，甚至 7 ～8 y 开， 从而对 煤层开采构成威胁 2 ． 2 2 集 中应力的分布规律 煤柱的位置 、尺寸及形状 的不 同，其集 中应力 的形成也是不同的，并且应力集中的程度也各有区 别 ，根据其形成 因素，大致可分为以下几种 1 A型。当煤柱一侧为采空区时 ，其应 力集 中程度较小 ，如图 2所示。 2 B型。当煤柱两侧 为采空区时，煤柱宽度 小于 2 0 m B ． 型时 ，其 应力集中情况如图 3所 示 ；煤柱宽度大于 2 0 m 型时 ，其应力集中 情况如图 4所示 。 围 2 煤柱一侧为采 空区 圉 3 煤柱两恻为采 空区，煤柱宽度小于 2 0 n 2 4 煤挂 两侧为呆 空 ，煤柱宽度 大于 2 0m 3 c型。当煤 柱三侧 为采空 区或孤 岛式煤 柱，煤柱宽度小于 3 0m C 型时，应力分布规 律类似于图 3 ；煤 柱宽度 大于 3 0 m 型 时 ， 应力分布规律类似于图 4 ，但其应力集 中程度 大于 B型 其 中 A、B 、 型煤柱 ，集中应力主要集中 在煤柱边缘带 2 O ～3 0 m范围内，且 应力集中系数 为 2 ～3 ，煤柱 中部接近或略大于原岩应力。对 于 A型煤柱 ，实质上它类似于一个悬臂梁，一端有 固 支点， 煤柱下开采过程中，集中应力一般不会得到 充分释放， 对开采安全影响不大。而 B 1 、 c 1 型煤 柱应力集中程度较高如图5 所示 根据 以上分类 ，3 4 0 1 W 工作面第一处煤柱 属 c 型，第 二处煤 柱属 型，第三处属 C 型； 4 4 0 3 W 工作面两处煤柱均属 A型。 1 7 维普资讯 第2 q 卷 第1 0 期 煤 炭 科学 技 术 2 H 1 年1 0 月 图 5 蜓1 主两倒曲果空 ．燃 柱宽度 太于 3 0m 另外 ，2 、4煤层 间距 及 4煤 层 顶底 板条件 ， 断层及裂隙发育状况都直接关系到4煤层开采过程 中 j 覆煤柱的集中应力分布规律及影响程度 2 3 煤柱下采煤矿压显现规律 1 煤柱下开采 ，不仅承受 自身 巴 覆岩层的支 蠹压力，而且承受来 自煤柱的集中应力，再加上开 采超前压力影响 ，三者形成复合叠加应力 ．致使煤 柱 F开采压力异常 。 2 根据 上述煤柱类型分类可知 对于宽度大 于 6 0 n 1 的煤 柱 ．在工作 面煤柱 F开采 推进 3 O m 后．集中应力 的影响逐渐减弱 ，在离开煤柱 3 O m 前．集 中 应 力 的 显 现 程 度 又 逐 渐 增 强 ，这 与 3 4 0 1 W 第二处煤 柱下 开采 的压力 显现是 ～致 的。 也就是说．宽度大于 6 Om的煤柱 ．在其前后 3 0m 范匍内，集中应力较强，需要加强综合支护 ，而在 中间范围内，应力集 中程度较弱 ，一般对安全开采 影响不大；对于宽度小 于 2 O m 的煤 柱，由于长期 受集中应力作用 ，其实际塑性区范围可能超出理论 值也就是|兑，小于2 0 IT [ 的煤柱，不存在有弹性 核医域 ．在煤柱 由塑性变形向松动变形的转化过程 中．煤柱的集 中应力得到部分或完全释放，从而对 煤拄开采不构成影响 3 4 0 1 w 工作面第三处煤柱 下端 3 2 0 2 W 工作 面部分1开 采时 的压 力显现 可 证明这点。另外，对于 4 4 0 3 W 工作面第一处煤 柱存在种特殊性 ．虽然其宽度小于 2 0 m，其应 力影响也较小 ．但它不同于 上述应力释放之 说．除 r前面所说其宽度 1 8 r n的煤柱类似于悬臂 梁外 对于煤拄宽度为 2 O～6 0 m 的煤柱 ，自始至终受到 集中应力的影响 ，且 影响程 度较剧 烈，个别情况 下 ．即使加强了支护强度 ，也无法抗拒其顶板发生 台阶下沉 在 3 4 0 1 W 工作面第一处煤柱下开采时 ． 工作面加强 了木垛 等特殊支护 ，顶板也较坚硬 完 整 ．可在强大的集中应力作 用下 ．还是发生 了 3次 台阶 F 沉此类煤柱下开采应在尽量控制顶板 台阶 1 8 下沉的同时．莆点应放在工作面防推跨上．． 3 根据 』 二 覆煤柱集中应力分布规律及工作面 上覆岩层三带划分可知2煤层煤柱位于裂隙带 内，开采过程中．2 煤层煤柱及其上覆岩层在形成 裂隙的同时 ．伴随着小范围内的下沉运动，但是其 较轻微的下沉运动 ，足以使 4 煤层基本顶岩粱早 已 形成的砌体梁平衡结构得到破坏 ，使基本顶由弯曲 拉伸破断 向剪切破断形式转化 ，从而促使 4煤层顶 板下沉运动加剧 ，使基本顶下位岩层产生裂隙并加 大 ．也是工作面顶板时常发 出动压响声的原因．裂 隙间距的大小 ，使响声强弱也存在区别。 4 对于不同类型的煤柱．随应力集中的范围 及集中程度不同．工作面开采时压力 显现的强度也 各有区别，其应力影响及压力显现过程可概括为 3 种形式 ① 弱 一强一 弱 ；② 弱一 强 弱 强一 弱；③ 弱一强一强一 弱 5 根据集中应力在底板岩层中的传播规律及 现场实测资料总结可知不同类型的煤柱，不同的 应力集 中程度 ．其应 力影响扩散 角也 不同 ，对于 A、 C 2 型煤柱．其应力影响扩散角在 2 5 ～ 3 0 。 ；对 、c 型煤柱 ，其扩散角较大，大约在 4 5 -5 5 。 。 6 受 【 作面断层 、背 向斜构造及裂隙发 育程度影响，对煤柱集中应力的传递和扩散有干扰 和变化，使集中应力 的矿压显现表现为区段性 ．而 不是全面性． 或者使集中应力的影响有所增强， 或 者有所减弱 例如在 3 4 0 1 W 1 _ 作面第二处煤拄下 开采时，受背斜构造影响，工作面应力集中在二 I 作 面 J 二 部和下部，且上 、下部显现强度也有不同 7 周期来压与集中应力的疆现相 巨影响，相 互促进 同期来压使集 中应 力显现进 一步增强 ，而 集中应 力的影响使 来压正常 的周期步距减少 其 中，在应力集中较高范围内．遇到周期来压时 ．町 使集中应力 显现进步加剧 ；而在应力集中本来较 小的范围内，周期来压过程 中，可能引起集 中应力 增强 ．但 目前未出现这种情况。 8 在观测过程中发现，每一次较大的动压响 声 ． 都预示着煤壁前方直接顶肯定出现预牛裂隙， F L 1 二 作面推至此位置时 ．机道顶板 出现 “ 人⋯ 劈 形冒顶的概率较高 3 煤柱下安全采煤技术的探索与应用 3 1 工作面支护适应性分析 以 3 4 D W 面为例 根据 3 4 0 】 W 工作面柱状图，J E 常状况 3 ． 0 维普资讯 第2 9 卷 第l 0 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 1 年1 0 月 m中细砂 岩为第 一岩梁 ，3 l m 粉 砂岩 为第 二冉 梁，2 ． 9I l l 细砂 岩、1 ． 2 n 的粉砂 岩互层 、l 8 m 粉砂岩及 2 煤层共同构成第三岩梁，在整体 形成 多岩粱结构 正常情况下，基本顶岩层在弯扎破断 时所需支护强度 Lo 4． 3 3 M 6 ． 5 L n ／ 2． 4 5 PT M 7 ． 2 M F ．7E L／KTLK 式中M， 直接顶厚度 ，取 1 ． 5 n L 基本顶初次来压步距 ； f _ 周期来压步距； y 直接顶容重 ， 直接顶悬顶系数 ； P 所需支护强度； ME 基本顶岩梁厚度 ，取 3m； L 控顶距 ，取 3 7 y E 基本顶容重．2 5 k N／ m ； K 岩梁传递系数，取 2 经计 算可得 L n 1 9 ． 4 n l ，L8 m，， 『 1 9 5 ． 1 6 k N／ r n 2 。即在煤柱影 响下，基本 顶出现 剪 切破坏时所需支护强度 考虑各方面因素，为安全起 见．以基本顶 3个 岩粱同时切落为准计算，基本顶 岩梁厚度取 l 2 公式同上，可得 P 6 4 8 ． 6 k N／ m 煤柱影响下_T作面支护设计 Pq ／ R， 尺r 二 点 K Kb K K ． R1 ． 1 一 ,P Z d 式中 尺 支柱实际支撑能力； R 支柱额定工作阻力； 。 支柱工作系数 ．O 9 9 K 支柱增阻系数 ，0 ． 9 5 K 支柱不均匀系数 ，0 ． 9 5 ； K 工作面倾角系数 ，取 1 K 采高系数，取 0 ． 9 6 柱 距 ； 口 排距 ； 支护密度 经计算得 b 0 ． 3 6 6 m．H3 4 1 5根 n 3 2 煤柱下安全采煤的支护措施 由支护设计可知 ，柱距保持 0 ． 3 6 m才能满 址 支护强度需求 ，但是单纯增 大支护南度 、或 者 0 ． 7 I l l 为 间距 架设 型钢 梁， 仅 增加 r施 I 难 度 ，多占用近半的柱粱 ～其施 j 中I 操作惟也 较差 一困工作面顶板管理重点在 j 机道管婵 、结合 该特点及支护强度要求 ，把 型钢粱 j 蚺帮柱联 合 使用 每隔 1 ． 5m支没一架 钢粱、保持 一粱二 柱 ，在两架 型钢 梁之间机道 内再 支没 2根贴 帮 柱 ，这样 既能满足一定的支护要求，X可 及时维 护机道顶板 ，特别是超前产生预生裂隙的 顶板 、n r 防止刚裸露顶板的破碎 冒顶 ，并对煤擘片帮起列一 定的控制作用 其次 ．留顶煤 开采 也是一种较好的方法之一 有时 ，由于直接顶质鼍指数偏低 ，存集中应力作用 下，直接顶极易破碎 ，机道冒顶频繁 而留顶煤开 采后 ，一方面顶煤有一定塑性 ，在支架 顶板之 间 起到定 的缓 冲，对防止直接 顶破碎 具有襁极作 用 ；另一方面 ．留顶煤 对煤壁具有一 定的 “ 粘连 ” 作用 ，防止或减轻 l『 煤壁片帮的发生 ，现场实用也 证明这一点 ，留顶煤 前，片帮多发生存煤擘中 J 一 部 ，使直接顶及早暴露而得 不到及时支护 ；而留顶 煤后 ，片帮多发生在煤擘中下部，且片帮深度也变 轻 目前 ．煤柱下留顶煤开采是最为} 之有效 的方 法 之一 4结 语 加强切顶线抬棚使用质量 ，使抬栅起到双苇作 用 抬棚作为工作面特殊支护 ，『司时吐 土 - J 作为 I } 规 支护作用 ，即把其初撑力 由规定 的 5 0 k N提高到 9 0 k N，这样 ，既可以提高支护强度 ．叉可以减少 顶板的最终沉降值 ．防止顶板下箝 t 量过大而导致机 道顶板发生剪切破坏 在集 中成力剧烈影响阶段 ．巾于厦扳发生俞阶 下沉 ．出现推跨事故的可能性较大，此时必顽每隔 5 n 支设 一 架木垛 ，阴角接顶要求平稳有力，从 而 增加整体支护结构的稳定性 。在一 作 进出煤柱 F 采煤 3 0 n 内，在条件允许的情况下 ．应合理调配 人员，尽可能提高工作面推进速度 ，以防止工作面 长时间受压而使顶板进一步恶化 作者简 介 杨光玉 t 9 6 3一j ．男，山E秀 ． 瑶 币． 新蒗0 一 集匿、考阪责 司琶镇攥 霞 { 『 收犒 ；期2 0 0 1 ⋯0 3 0 5 ；妻 {编辑 垂康皇 l 9 维普资讯