试析煤矿回采工作面矿压与顶板管理.pdf

江西煤炭科技 J I ANGXI COAL S CI ENCE TECHNOLOGY 2 0 1 4年第 1期 NO． 1 2 0 1 4 试 衍 爆矽 回 采 互 矽 压 项饭 管理 刘 海 旗 山西省 山煤集团左权宏远煤矿 ， 山西 晋 中 0 3 2 6 0 0 摘要 安全生产是煤矿 开采 工作 的基本原 则之一 ， 但 由于矿 压作用 ， 易 引发 一系列力 学现象 ， 造 成 围岩 变形或 工作面 坍 塌 ， 影响 回采工作安全 、 正常开展 ， 而顶板控制作 为安全回采 的重要 技术之 一 ， 却 因管理不 善衍生 了诸 多煤矿事 故。在此 ， 基于对煤 矿回采工作面矿压影 响的分析 ， 结 合顶 板控制问题 ， 就 如何 加以管理进行 了探讨 。 关键 词 煤矿 回采工作 面 ； 矿压显现 规律 ； 顶板管 理 中图分类号 TD 3 2 7 ． 2 文献标 识码 B 文章编号 1 0 0 6 2 5 7 2 2 0 1 4 0 1 0 0 9 1 --0 3 An a l y s i s o f Ro c k Pr e s s u r e a n d Ro o f M a n a g e me nt i n W o r k i n g Fa c e i n Co a l M i n e s Li u Ha i q i Ho n g y u a n C o l l i e r y o f S h a n x i J i n z h o n g Z u o q u a n C o u n t y S h a n me i Gr o u p ，C o ． ，J i n z h o n g，S h a n x i 0 3 2 6 0 0 Ab s t r a c t Sa f e t y p r o d u c t i o n i s o n e o f t h e b a s i c p r i n c i p l e i n t h e mi n i n g o f c o l l i e r i e s ，b u t b e c a u s e o f mi n e p r e s s u r e， a s e r i e s o f me c h a ni c a l p h e n o me n o n wi l l e a s i l y o c c ur a n d l e a d t O s u r r o u nd i n g d e f o r ma t i o n o r c o l l a p s e f a c e，wh i c h i n f l u e nc e s o n s a f e t y s t o pi n g ．As o n e o f t h e i mp o r t a n t t e c h n o l o g y o f s a f e t y s t o p i n g，r o o f c o n t r o l l i ng l e a d t o ma ny c o a l mi n e a c c i d e n t s b e c a u s e o f i t s mi s ma n a g e me n t ．On t h e ba s i s o f a n a l y z i n g mi n e pr e s s u r e i n wo r ki n g f a c e ，t h e p a p e r d i s c us s e s h o w t o ma n a g e i t c o mb i n e d wi t h t he p r o b l e ms o f r o o f c o n t r o l l i n g ． Ke y wo r d wo r ki n g f a c e i n c o a l mi n e ； l a w o f r o c k p r e s s u r e； r o o f ma n a g e me n t 回采工作 面矿压 和顶 板 管理 在实 现煤 矿安 全 生产 中 的作用不容置 疑 ， 但 随着 煤 矿开 采深 度 的不 断增 大 ， 致 使 矿压作用 随之 突 出 ， 影 响开 采进 度不 说 ， 还易 造成 工作 面 垮 塌 ， 同时 因顶板 问题引发 的煤 矿事故 更是层 出不穷 。因 此 ， 煤矿企业必须 了解 回采 工作 面矿 压显 现规 律 ， 加 强顶 板管理 ， 降低事故概率 ， 促进煤矿 的生产安全 。 3 注浆锚杆施 工工艺分析 1 锚 杆钻孔 锚杆 钻孔 采 用锚 杆钻 机 打眼 ， 顶 锚 杆孔 钻 头直径 4 2 mm， 成 孔直 径 4 3 ～4 4 mm， 顶板 钻孔 深度为 2 5 0 0 m m； 两 帮锚杆钻头直径 2 8 mm， 成孔 直径 3 0 mm， 钻 孔 深度为 2 2 0 0 mm。 2 安装顶板注浆锚杆 。 3 注浆 注 浆 压 力 为 2 ～ 4 MP a ， 有效 扩 散 半 径 定 为 1 ． 0 m； 每孔 注浆量 ≥ 3 0 ～5 0 k g浆 液 ； 每孔 注浆 时 间一 般 为 2 0 mi n 。巷道支护施工流程见 图 4 。 掘 进 巷道 l一． 一 临 时支 护 l_■ 一 次喷 浆 ⋯ ⋯ ⋯ ___ _____ ． j - ⋯ 铺 网l一 安 装锚 杆 、锚 索 『 _ - 一 架钢 梁 j ⋯⋯{ ⋯ ； 二 次 喷 浆 l i 安 装U型可 伸 缩 金属 支 架i 图 4 巷道支护施 工流 程 4 支 护 效 果 1 从运输 大巷掘进 直至使 用到 目前为止 ， 大 巷 内没 有 发 生一次 片帮 冒顶 事故 ， 且顶 板也 未 出现较 大 的离层 、 下 沉 等现象 ， 巷道围岩变形得到 了有 效控制 ， 通 风阻力 降低 ， 保 证了矿井通风安全 ， 这 说 明， 外 锚 内注锚杆 注浆加 固、 U 型可伸缩性支架 和喷混 凝土 联合 支护 技术 满足 软岩 巷道 的支护要求 。 2 巷道施工 速 度 明显提 高 ， 综掘 效率 提高 了一 倍 ， 运 输大巷 的每月掘进进尺维持在 2 5 0 m左右 ， 同时减轻 了工 人 的劳动强度 。 3 巷道投入使用后， 每年为矿井节约维修费约 7 0 万元 。 作者简 介 王爱龙 1 9 6 8 一 ， 男 ， 山西 高平 人 ， 大学本 科 ， 采煤 工 程 师 ， 现在庞庞塔煤矿从事煤矿 生产 管理 工作 。 收 稿 日期 2 0 1 3 1 1 1 1 编辑 胡 中祺 9 1 1 煤矿 回采 工作 面矿压影 响分析 在 煤矿开采前期 ， 岩体 因 自重作用原岩应 力处于静止 状态 ， 但当开掘巷 道或 进行 回采 时 ， 应 力状 态 因失衡 而 重 新分布 ， 若重新形成 的应力超过 岩体 、 煤 层的强 度极 限 ， 会 对其产 生破坏作 用 ， 直 至应 力再 次恢 复平衡 ， 该 过程 中的 作用 力 ， 即矿 山压 力不 可避 免的 会产生 诸 多力 学现 象 ， 如 围岩发 生变形或 挤入 巷道 而造成 岩体 移动 、 离 散或 冒落 ， 支架出现变形或 被压 裂甚 至折 断 ， 煤体 出现片 帮 、 压 松 或 被 突然抛 出 ， 地表 和岩 层 出现移 动甚 至塌 陷 ， 充 填物 沉缩 等。这 些都会对 回采 工作面带来 不 同程 度 的影 响 ， 造成 顶 板难 以支 护和管 理 ， 进 而影 响支 护结 构的 强度 和稳 定性 ， 制约开 采工作顺利 、 安全进行 。 2 煤矿回采 工作 面顶板控制 问题 顶板 管理是通过 支护工作 面 ， 处理采空 区有效规避 或 降低 围岩变形 和破坏 的影 响 ， 从 而创 造安 全 的作业 空 间 。 通常岩层顶板 包括 伪顶 、 直接 顶 、 老顶 三类 ， 按 顶板 强度 ， 其可分为松软 类 、 较 易垮 落类 、 塑 性弯 曲类 、 坚 硬类 、 极难 垮落类顶板 。 2 ． 1 采 煤 工 艺 当下 除国有煤矿 外 ， 有的煤矿在 巷道和 回采工作面支 护环节 中， 支护强度不 经过试验 、 计 算 ， 造成 支护 强度和初 撑力较低 ， 且采用巷道 式 回采 工艺 ， 加 之管 理滞后 ， 造成顶 板事故频发 。 2 ． 2 支护结构 若煤层顶板 为复 合顶 板 ， 那 么 在顶 板裂 缝 、 支 架 强度 等 的影响下 ， 可能会 出 现上位 岩层 与顶 板 岩层 分离 现象 ， 而支架和支柱容易在局部 冒顶等作 用下被 推倒 ， 进 而引发 顶板事故 。 2 ． 3 煤壁片帮 若支护强度 不足 或 临时支 护延 迟会 逐 渐加 大空 顶距 造成煤层破碎 ， 或 者煤 矿采深 的加 大增 加 了岩 石应 力 ， 顶 板压力作用于煤壁时 间过长 ， 以及 煤壁 承压过高都 会 引发 煤壁片 帮 ， 导致空顶 面积不 断扩 大。 2 ． 4悬 顶 面 积 92 通常当悬顶 面积扩大 至一定程度 时 ， 易造成推垮 型顶 板事故 ， 而其诱 因较 多 ， 如支柱 、 支架 自身 的初撑 力难 以支 撑 直接顶 ， 致使老 顶 与直接 顶不 离层 ， 或 回采工 作 面 中 的 支柱数量有 限 ， 难 以平衡 上部采 空 区的岩石重 量 ， 或 支柱 、 支架 自身的可缩 性低 ， 不 能适应 岩层 下沉等 。 2 ． 5 冲击地压 采 场围岩在高应 力 场下 ， 如果 坚 硬顶 板失 稳 或 断裂 ， 则会 在瞬间产生巨大的冲击力 ， 以此 释放采 场能力形 成 冲 击 地压 ， 若 还存 在 断层 等附 加压 力 ， 则 会大 大增 加 其形 成 几 率和强度 ， 进 而扩大危 害范围 。 3 煤矿 回采工作 面矿压与顶板 管理措施探 讨 3 ． 1 注重研 究回采工作 面矿压显现规 律 随着煤矿开采 年限 的延 长 ， 深 度 的加 大 ， 回采 工作 面 的作业 环境越来越 复 杂 ， 矿 压显 现不 断增 大 ， 为 煤 矿开 采 造 成了极 大威胁 。若矿 压观测 不到位 ， 显现规 律掌握 不全 面， 或者偏离 实际 ， 则会 大大 影响后 续 的开 采工 作进 度 与 安 全性 ， 极 易引发 安全事故 。这 就意 味着 必须利 用先进 技 术 和科学方法掌握煤矿 回采工作 面矿压 显现规律 ， 以此 获 取 与实 际情况 吻合 的巷 道应力变 化 ， 进 而为实 现安全 生产 提供可靠 的理论依据 ， 为 回采工作 面设计 与设备 选型提供 有 力参考 。 基 于显示有 限 差分方 法 的 F L A C工具 具有 强 大 的计 算 功能 ， 而且二次 开发性 能 良好 ， 内置材 料模 型丰 富， 可稳 定 解译 非稳定物理过程 ， 既可 以模拟 节理 、 断层、 摩擦 边界 等相关界 面 ， 也可 以对 隧道 衬砌 、 岩石 锚杆 等与 周 围岩 土 的作用关 系进行模拟等 ， 故为探 寻 回采工 作 面矿 压显 现规 律提供 了很大支持 。 如黑龙 江矿业集 团的龙湖煤矿 就借助 F l a c 5 ． 0软 件合 理分析 了矿压显现规律 ， 进 而为后 续 的安 全生产 工作提供 了重要保 障。其考虑 到开挖巷道 后 ， 围岩应力 变化影 响较 大 ， 且顶板 、 底 板 、 煤 层 的变 形 具有 一 定 的协调 性 ， 然后 结 合具体 实践 ， 将模 型范围设 为长宽 均为 4 0 m， 其 中顶板 覆 岩主体 ， 并配 以部 分底 板 ， 同时分别就模 型 的左右边 界 、 底 界作 了约束 ， 选取 了弹 性和 塑性模 型 ， 为准 确模 拟 所设 支 护参数下 围岩的变形情况 ， 分别就 所设条 件下 的模 型 的初 始状态 、 巷 道 开 挖 、 围岩 支护 、 巷 道 掘 进 过程 中 的应 力 分 布 、 变形情况 以及 回采 期 间的 变形情 况 进行 了模 拟 ， 事 实 证明 ， 该软件 不仅 可 以清 晰显 现巷 道应 力变 化 ， 而且 结 果 与现场试验信息基本一 致 ， 且 回采 与掘进期 间 的围岩位移 大致相 当， 断 面收敛率 为 1 O ， 符合安全生产标 准 。 3 ． 2 切实强化不 同结构 顶板的控制力度 在煤矿 实际开 采过程 中 ， 顶板结构 的选择 是根据具体 情况而定 的 ， 但 无论 何 种形 式 ， 都必 须保 证一 定 的 强度 和 稳 定性能 ， 以此创 造安 全 的作 业空 间 ， 在 此就 常 见结 构顶 板 的控制要点加 以阐述 。 1 梁式 顶板 。基于 支 与让 原则 的 梁式 顶板 ， 若 其 面 对的相对坚硬且完整 的直接 顶 ， 建议 在处理 顶板 时选择 强 制放顶法 ， 以此 降低 矿 压强 度 ， 防止支 柱 因难 以负荷 岩 石 重量而影响 支护 效果 ； 若梁 式 结构 与拱 梁 结构 同 时存 在 ， 则应经过合理分析 和预测确 定支柱 的可缩 性 ， 以此 使其适 应梁基本顶可能 出现的断 裂下沉情 况 ， 进 而降低 围岩 变形 影响 。 2 拱梁式顶板 。该种结构 形式的顶板强 调支撑作用 ， 一 般 情况下 ， 其 支护强度 必须满 足负荷直 接顶岩石 重量 的 要求 ， 并尽量在符 合相关 要求 的前 提下减 少直接顶 与基本 顶离层的间隙 ， 为进一步保证作 业空间安全 ， 还 应对采空 区 上部顶板结构发挥平衡作用 ， 以此防止作业空间失稳 。 3 类 拱式顶板 。该种 结构形 式 的顶板 侧 重于 支撑和 保护作 用并 重 ， 为切 实彰 显其 支 护效果 ， 往 往借 助 足 够 的 支护 强度 ， 用于平衡作业 空 间以及采 空区类 拱结构 的失稳 条件 ， 此时要求 塑料 网护 顶必 须 保证 直接 顶 完整 ， 且 支柱 所 具备的支撑力能够平衡 顶岩重量 。 4 整体垮塌式 顶板 。该 种结构 形式 的顶板 注重支 撑 作 用 ， 因当工作面 中的主裂缝 的发展 方 向与 自身方 向处 于 平行状态时 ， 弯坏顶 板 会形 成剪 切破 坏 ， 且直 接 顶下 爆 弱 区域 的基 本顶 则 会 变 为垮 塌 结 构 ， 此 时 在增 设 支 撑 作 用 前 ， 应事先借助强强放 顶方法 适 当弱 化顶板 区域 的来压 强 度 ， 并将工作面与其裂缝方 向的夹角 扩大至 1 2 。 以上 ， 然后 借助合理的支护用于平衡 采空 区压力 ， 以此防止工作 面 出 现局部垮塌或整体垮塌 。 除 了从顶 板控制要点 着手外 ， 煤 矿企业还应 基于对煤 矿地质条件全面 、 客观 的分析 ， 合理 规划采煤 方法 ， 科 学选 择支护方式 ， 并严格遵循 技术规 范 ， 提高施 工质量 ， 同时为 回采工作面 的初 次 放顶 、 周 期 来压 、 过 老巷 道 、 过 断层 、 收 作 工作面 、 掘进开 口、 过三 岔 口等设 计合理 的安全技 术 ， 此 外还应强化对顶板事故易发 区和多发 区的监督和管理 。 4 结 语 综上所述 ， 煤矿开采程 序 ， 必然逐 步进入深 采 阶段 ， 无 疑加大了 回采工作面矿压 和顶板 管理难度 ， 为煤矿生 产埋 下 了巨大隐患 ， 这就 要求煤 矿 企业切 实 加大研 究 力度 ， 采 取行之有效 的防治措 施 ， 以此 强化采 场 支护 的稳 定性 ， 实 现煤矿安全开采 。 参考文献 [ 1 ]刘 浩． 煤矿 回采工作 面矿 压与顶板 管理分析 J ] ． 科技 创业 家 ， 2 o 1 3 o 5 ． 2 3宁琼 ， 宁齐元 ， 段瑜． 煤矿 回采工作 面矿压 与顶板管理探 讨[ J ] ． 现代商贸工业 ， 2 0 1 1 1 8 ． [ 3 ]张德 良． 浅析 煤矿 回采工 作 面矿 压 与顶板 管 理 J 3 ． 科 技信 息 ， 2 0 1 2 1 2 ． C 4 3苑明军 ， 姜兴 国， 王 玉成 ． 回采 工作 面 顶板 控制 存 在的 问题 [ J ] ． 煤炭技术 ， 2 O L O 2 5 ． 作者简 介 刘海旗 1 9 8 4 一 ， 2 0 0 9年毕业于山西煤炭职业技术 学 院采矿专业 ， 2 0 0 8年获得全国大学生数 学建模竞 赛 国家一等奖 ， 现工作于山西煤炭进 出口集 团左权 宏远 煤业有 限公司 ， 从事 煤矿 掘进 、 回采 、 测量等工作 ， 助理工 程师 ， 2 0 t 3年取得 中国矿业 大学 函授 采矿工程本科毕业证 。 收稿 日期 2 0 1 3 1 O 一2 2 编辑 胡 中祺 9 3