浅析煤矿回采工作面矿压与顶板管理.pdf

科技信息． 工程技 术 浅析煤矿回采工作面矿压与顶褫管理 同发 东周窑集团 张德 良 [ 摘要] 回采工作面矿 压与顶板 管理是 煤矿安 全生产管理 的重点 。本文深入分析 了回采 工作 面顶板控制存在的 问题 以及煤矿顶板 管理存在的主要 问题 ， 提 出了工作 面不同结构顶板 的控制 方法。 [ 关键词 ] 顶板管理控 制方法 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 、 硐室及 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 1 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 0 ．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 内的厚而坚 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 一起垮 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。南方很多 的煤矿 中除小部分 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l 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 面煤壁作用时间充分 ， 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入能 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。 f 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 支架或支柱 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。 f 6 矿压观测工作开展不到位 。 f7 冲击地 压影响 。采场周 围的 围岩 一般受 到上覆岩层 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 随着矿井开采深度增大 ，给顶板管理 和顶板 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。 随着煤矿 开采年代 的延 长 ，我 国煤矿现采工作面 的 自然 条件越来 越差 ， 现有 的技术装备还不 能完全更新配套 ， 职工 队伍技术素 质相对 还 比较低 。因此 ， 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 可采用与各主采煤层工作 面相适应 的顶 板控制方法 。 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 够平衡工作空问及采空 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 结构和拱粱式结 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 ． 建议 由于很多煤矿 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工作 面出现 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。因此 ， 这些 已进入深部 开采的煤矿 ， 要与 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现场支护设计，确保工作面的安全顺利开 采。 3 4l一一