浅析煤矿回采工作面矿压与顶板管理鉴赏

1、科技信息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

2、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

3、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0.3-0.5m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

4、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

5、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

6、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: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。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。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。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。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

7、支架或支柱能够正常发挥设计能力的关键。顶底板抗压入能力越高,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

8、发生推垮型事故。原因是支架或支柱: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;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;支架或支柱可缩性不强,难以适应岩层的下沉;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

9、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

10、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

11、顶板控制原则主要是“支与让”,支柱的可缩量应能适应梁式结构和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12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