煤矿回采工作面矿压与顶板管理探讨.pdf

No ． 5， 2 0 0 9 现代商 贸工业 Mo d e r n B u s i n e s s T r a d e I n d u s t r y 2 0 0 9 年第 5期 煤 矿 回采工 作 面矿 压 与 顶板 管理探 讨 宁 琼 宁 齐元 段瑜 1 ． 湖 南省邵 阳市煤矿设计 室 ，湖南 邵 阳 4 2 2 0 0 0 ； 2 ． 湖南理 工职 业技 术 学院 ， 湖 南 湘潭 4 1 1 1 0 4 摘 要 回采．Y - 作 面矿 压与项板 管理足资 江煤矿 安全生产 管理 的重点之一 。从 分析矿 山压 力及其危 害入手 ， 介绍 了回 采工作面项板分类 ， 并在此基础 上深入 分析 了回采 工作 面项板控制存在 的 问题 以及煤矿 顶板 管理 存在 的主要 问题 ， 提 出 了 工作 面不 同结构项板 的控 制方 法。 关键词 煤矿 ； 回采 工作面 ； 顶板管理 中圈分类号 TQ5 3 文献 标识码 A 文章编号 1 6 7 2 3 1 9 8 2 0 0 9 0 5 0 2 9 3 0 2 1矿 山压 力及 其危害 地下岩体在 采动 以 前 ， 由于 自重 的作 用 在其 内部 引起 的应力 ， 通称为原 岩应 力 。因 为开 采前 的岩 体处 于静 止 状 态 ， 当开 掘巷 道或进行 回采工 作 时 ， 破 坏 了原来 的应 力平 衡 状态 ， 引起岩体 内部 的应 力重 新 分布 。重 新分 布 后 的应 力 超过煤 、 岩的极 限强度时使巷 道 和 回采 工作 面周 围 的煤 、 岩 发生破坏 ， 这种状 态将 持续 到煤 、 岩 内部再 次形 成新 的应 力 平衡为止。此时， 巷道和回采工作面周 围煤、 岩体内形成一 个与原岩应力场显然不 同的新 的应 力场 ， 称 为二 次应力 场 。 其形成 过程就是 煤 、 岩 体 中应力 重 新 分 布 的过程 。这 种 由 于采掘活动而在井巷、 铜室及回采工作面周围煤、 岩体 中和 支护物上所引起的力， 就叫做“ 矿山压力” 。在矿山压力作 用下， 将引起一系列力学现象 ， 如围岩变形或挤入巷道、 岩 体离散 、 移动 或 冒落 ， 煤 被 压松 、 片 帮 或 突 然 抛 出 ， 支 架 变 形、 压裂或折断， 充填物产生沉缩以及岩层和地表发生移动 或塌陷等。这些由于矿山压力作用， 使 围岩 、 煤体和各种人 工支撑物产生的种种力学现象统称为“ 矿山压力显现” 。矿 山压力显现会给 地下 开采 工 作造 成 不 同程 度 的危 害 ， 影 响 正常的开采工作和安全生产， 造成工作面垮塌， 发生人员伤 亡事故 。 2回采工作 面顶板 分类 工作面支护与采空区处理 的基本任务， 就是有效地控 制 围岩 的变形 与破 坏 ， 创 造 安全 的工作 空 间。 由于 回采 工 作 面支 护主要是 控制 顶 板岩 层 ， 所 以把 工作 面 支护 与采 空 区处理统称 为顶 板管理 。 根据顶板岩 层与 煤层 的相 对位 置 及其 特 性 ， 可 将顶 板 岩层分为 以下三类 I 伪顶。直接位于煤层之上 、 厚度不大、 极易垮落的 岩层， 经常在落煤时即随同垮落。伪顶 多由炭质页岩等组 成， 厚度一般在 0 ． 3 ～O ． 5 m以下。 2 直接顶。直接位于伪顶或煤层之上 的一层或数层 岩层， 常由泥质页岩、 页岩、 砂质页岩等组成。多数情况下， 当回撤工作面支架后 ， 直接顶即随之垮落。少数情况下， 直 接顶也可能是 较难垮落 的岩层 。 3 老顶。位于直接顶上方一定距离 内的厚丽坚硬的 岩层， 有时也可能直接位于煤层之上， 常由砂岩、 石灰岩、 砂 砾岩等组成。一般情况下， 老顶能在采空区上方维持很大 的悬露 面积 ， 而不 随直接 顶～起 垮 落 。从顶 板管理 的角度 ， 可把顶板 大体 上归纳为 5种 ① 易垮 落的松软顶 板 。直 接顶 岩层基 本上都 是较易 垮 落 的岩层 ， 回柱 后 顶 板 即 能垮 落 ， 垮 落 的岩 块 能充 满 采 空 区 ， 可较 好地支撑上覆 岩层 。 ②中等垮落性顶板。直接顶为松软岩层 ， 厚度不大 ， 一 般小于煤层采 高的 2 ～ 4倍 ， 能 随 回柱 而垮 落 ， 但 因垮 落 的 厚 度小 ， 不能充满采空 区 。 ③难垮落的坚硬顶板。老顶岩层直接覆盖在煤层之 上 ， 不随 回柱 而垮落 。 ④极难垮落的坚硬顶板。煤层上面覆盖着厚度很大极 为坚硬的整体性岩层， 在采区悬露几个甚至上万平方米而 不垮落。 ⑤塑性弯曲的顶板 。直接顶是具有一定厚度的较坚硬 岩层， 回柱后并不垮落， 而呈塑性弯曲下沉， 逐渐与底板相 接触 。这类顶 板常 由塑性 较大的石灰 岩 、 砂岩组成 。 3 回采工 作面 顶板 控制存 在 的 问题 顶板管理是 煤 矿开 采 的 主要 技术 之 一 ， 矿压 显现 规律 及 其控制技术是 我 国煤 矿 开采 迫 切需 要 解决 的课题 ， 该 课 题 的研究对我 国煤炭工业 持续 发展 具有重 要意义 。尤 其随 着矿井开采深度的增大， 采场控制问题更加突出， 如煤壁片 帮、 伪顶、 伪底和高地压破碎造成总体刚度下降， 无支护空 间扩大 ， 支护系统刚度降低， 有效工作阻力得不到保障， 支 护结构稳定性问题 ， 煤体应力增大， 煤体变形和积聚的弹性 潜能也增大等等都给顶板管理带来直接困难。因此， 必须 在掌握 回采 工作 面的 矿压 显 现规 律 的基 础上 ， 研究 顶板 事 故的致因并采取超前预防措施。 1 采煤工艺落后， 顶板管理不到位。湖南省的煤矿中 除小部份国有煤矿外， 井下巷道与回采工作面支护方式采 用木支护 ， 支护强度低， 初撑力达不到要求， 工作面回采工 艺仍然采用巷道式， 顶板管理方式落后 ， 事故频发， 伤亡比 重较大 。 2 煤壁片帮， 控顶面积扩大 煤壁片帮的影响因素 ① 支护强度低 ， 或临时支护不及时， 导致控顶距加大， 煤体 受到的应力增大 ， 致使煤层破碎煤壁片帮。② 煤层节理裂 ，- 29 3 No ． 5， 2 0 0 9 现代商 贸工业 Mo d e r n B u s i n e s s T r a d e I n d u s t r y 2 0 0 9 年第 5期 隙等弱面分布在地质破碎带 。在 工作 面推 进速度 较慢 的情 况下 ， 如果遇落差较 大的斜交 断层 ， 会 诱 发大 面积 片帮。③ 煤壁处的支承压力 ， 在煤层上 部有顶 板 压力存 在 ， 支承压 力 升高造成片帮事故 。④ 工 作面推进速度 。工作面推进 速度 慢， 则顶板压力对工作面煤壁作用时问充分 ， 容易导致片 帮 。⑤ 采深的影响 。采深 的增 加直接导 致煤体受到 的原 岩 应力增大， 从而使煤层更容易破碎致使煤壁片帮。 3 支柱 的有效 工作 阻力 得 不到 保 障 。顶 底 板具 有 足 够的抗压人能力是支架或支 柱能 够正 常发 挥设计 能力 的关 键 。顶底板抗压人 能力 越 高 ， 支 架 和支 柱 与 围岩 的总 刚度 越大 ， 支 护设计 性能 发挥 越 好 。在 地 压作 用 下 ， 伪顶 、 伪 底 的存在必然导致支护 总体 刚度及有效 工作阻力 的下 降。 4 支护稳定 性问 题 比较 突 出。当煤 层 顶板 为 复 合型 顶板时 ， 由于支架稳 定性 、 支 护不 到 位或 顶 板裂 隙 的影 响 ， 顶板岩层 中就会 出现与上位 硬岩 离层 。因局部 冒顶 或别 的 因素影响， 断块有可能沿煤层层面倾斜方向向下移动， 从而 产生对支架或支柱 向下的推 力 。煤 层倾 角越 大 ， 推 力越 大 ， 支架或支柱也 最容 易被 推 倒 。当工 作 面仰 斜布 置 时， 顶 板 岩石断块 就有 可能 沿层 面 向老 塘方 向 运动 ， 而推 倒支 架或 支柱 ， 造成工作面大面积 冒顶 ， 导 致顶板事故发 生 。 5 悬顶面积大， 易发生推垮型事故。原因是支架或支 柱 ① 液压泵站气压力不够 ， 支架或支柱的支承力难以平衡 支架或支柱上方垮落带岩石的重量 ； ② 支架或支柱初撑力 不能有效地切断直接顶， 不能使直接顶与老顶分离； ③ 支架 或麦柱可缩性不强， 难以适应岩层的下沉， ④ 工作面支柱数 量不足， 支柱的支承力难以平衡支柱上方垮落带岩石的重 量。 6 矿压观测 工作开展不到位 。 7 冲击地压影 响 。采 场 周 围 的 围岩 一般 受 到上 授 岩 层的 自重应力 、 煤 柱引起的支 承压 力 、 坚 硬顶 板断 裂失稳 产 生 的巨大 冲击力 ， 也就 是 说前 面 两种 应 力 的藕合 叠加 形 成 高应力场， 在该高应力场中， 一旦坚硬顶板断裂失稳， 所产 生的巨大的瞬间冲击力将诱发采场中的能量释放 ， 而产生 冲击地压。如果回采工作面还存在断层或构造等的附加应 力， 冲击地压的发生的几率将会增大， 而且强度也更加剧 烈。冲击地压在深部矿井尤其坚硬顶板条件下发生的几率 远大于中、 浅部矿井的煤层， 而且强度和危害程度也明显增 大。 4 煤矿顶板管理存在的主要问题 资江煤矿位 于湖南省冷水 江市 西南 。矿井设 计 能力为 3 O 万 吨／ 年 。采用斜井 多水 平上 下 山开 采 的开拓 方 式 。目 前已经进人一3 0 0 m水平回采， 最大采深超过 4 8 0 m， 深部地 压问题初步显现， 顶板问题相 当突 出， 严重影响矿井的安全 生产和高产高效矿井的建设。随着矿井开采深度增大， 给 顶板管理和控制顶板事故带来了一系列的问题 ， 这些问题 主要 包括 以下 几个 方面 1 顶底板岩性不稳定。顶板破碎， 构造复杂。回采工 作面顶板管理难度加大。 2 地压增 大 。矿 井 的采 深加 大 ， 地应 力加 大 ， 回采 工 作面顶板支护更加困难 3 深部开采冲击地压危害增加。我国南方煤矿 自然 条件 比较差 ， 生产 力发 展 水平 低 ， 技术 装 备 比较 落后 ， 职工 队伍技术素质比较低。煤矿必须从技术装备、 人员素质、 管 理措施等方面来解 决顶 板事故等一 系列技 术 、 管理难题 。 5工作面不 同结构 顶板 的控 制方法 针对不 同结构形 式的顶板提 出各 主采煤层 工作面 的控 制方法 。 1 类拱 式结构顶板 的控 制 这种顶板结构 的控 制 原则 是“ 支 与护 ” 并重 ， 一 是采用 支护强度能够平衡 工作空间及采 空 区上方类拱 结构的失稳 条件 ， 采 用的支柱初撑力应 能平衡 直接 顶的岩重 ， 并采用塑 料 网护顶 ， 保持直接顶 的完 整性 。 2 拱 梁式结构顶板 的控制 该种结构 顶板 的控 制 原则 主 要是 “ 支 ” 。也 就是 说 ， 确 定 的支护强度首 先支 住 直接 顶 的岩 重 ， 尽 量 减少直 接顶 与 基本顶之间的离层， 并能平衡工作空间及采空区上方拱梁 式结构 的失稳条 件 。 3 梁式结构顶板 的控 制 这种结构 的顶 板 控 制原 则 主要是 “ 支 与让” ， 支柱 的可 缩量应 能适应 粱式结构 和梁拱 梁式结 构并存条件 下的 基本顶的断裂下沉。直接顶较完整坚硬时应采取强制放顶 方法处 理顶板 ， 减 少来 压强度 。 4 整体塌垮式结构顶板的控制 由于整体塌垮 式结 构 顶板 的周 期性 不 明显 ， 主要 是工 作面的主裂隙发育方向与工作面方 向平行时， 使弯坏的顶 板变为剪切破坏， 直接顶较薄的局部区域， 基本顶形成塌垮 式结构。对这种顶板的控制原则重点是“ 支” 。但前提条件 是 ， 采用强强放 顶 弱化 顶板 的 来压 强度 。再就 是将工 作面 的方 向与裂隙方 向之间的夹角调 至 1 2度 以上 ， 以此使确定 的支护强度平衡 工作 空 间及 采空 区 的压力 ， 避 免局部 整体 塌垮式结构 的形成 。 6结 论与建 议 由于资江煤矿 已进 入深 部 开采 ， 给 回采 工作 面的正 常 开采和顶板管 理造 成 了较 大 困难 。同时 ， 在顶 板管理 中也 出现 了一此难 题 。如矿 井深 部 地质 结构 特殊 的煤层 地层 ， 采场出现的底板变形压力和复合顶板的动压控制问题； 底 板破坏深度与矿压显现的关系； 下部煤层瓦斯压力与矿压 显现的关系； 底板冲击地压的机理及其控制途径的研究； 矿 井深部复杂地质条件下的煤层开采与顶板控制等问题， 都 是现场顶板管理研究中需要解决的一些重要课题。建议资 江煤矿与科研 单位合作 ， 进行一 些相 似材料模 拟试验 ， 通过 理论研究 和实 测研 究成 果 ， 提 出符 合 实际 条件 的采场 支护 设计， 确保工作面的安全开采。 参考文献 [ 1 ]魏锦 平， 靳钟铭等． 坚硬 项扳控制 的数值 模拟口] ． 岩石 力学与工 程学报 ， 2 0 0 2 ， 2 1 增刊 ． [ 2 ]张 良， 陈德帅． 坚硬顶 板基本 项极 限垮距的预谬 4 和 实践[ J ] ． 中州 煤炭 ， 2 0 0 0 ， 6 8 - 9 ． [ 3 ]曲华 ， 张股振。 深井 难采煤层上行 开采的数值模拟[ J ] ． 矿山压力 与 顶 板 管理 ， 2 0 0 3 ， 4 5 6 - 5 9 ．