特厚煤层综放开采压架发生机制及防治对策

特厚煤层综放开采压架发生机制及防治对策

1工作面出两侧采空煤柱的压架防治对策位于蒙古国、陕西省和山西省交界处的神福东胜矿区（以下简称神东矿区）。这是中国的重要煤炭生产基地。它也是世界上最大的千万吨矿床和数千吨产品群的矿区。煤层埋藏浅、倾角小、地质结构简单是该矿区煤层赋存的典型特征相关统计结果显示,上述的压架事故主要出现在2种出煤柱开采的过程中(见图1):(1)出两侧采空煤柱,即下煤层切眼布置在上覆遗留煤柱一侧的采空区下方,且煤柱位于工作面开采的推进范围内,工作面将会经历“采空区→煤柱区→采空区”的开采过程。(2)出一侧采空煤柱,即下煤层切眼布置于上覆一侧采空煤柱下方,工作面回采期间仅经历“煤柱区→采空区”的开采过程。针对工作面出两侧采空煤柱时的压架问题,鞠金峰等由此提出了以消除关键层块体结构回转为思路的压架防治对策。然而,对于该矿区发生的工作面出一侧采空煤柱时的压架事故,其压架的机制如何,与出两侧采空煤柱的压架有何区别,以及对此类压架事故又该如何防范等问题,仍没有相关的研究。神东矿区石圪台煤矿12省神木县检矿沿空煤柱的压架事故案例石圪台煤矿是神东煤炭集团所属的主力千万吨生产矿井之一,位于陕西省神木县境内,主采1该矿12102,12103工作面位于1两工作面在推出上覆一侧采空煤柱的开采过程中,均发生了支架活柱短时间内急剧大幅下缩的压架事故(见表1)。其中,12102工作面273煤柱边界的巷道结构上煤层开采留设煤柱后,上覆关键层会在煤柱边界一侧破断形成如图4所示的“半桥式”铰接结构,并承担着其所控制的那部分岩层的载荷。当下煤层工作面逐步推出煤柱边界时,此结构的断裂岩块必然会产生进一步的回转运动;当这种结构不能维持其自身稳定性时,就会对下煤层工作面产生冲击作用,造成压架事故的发生。因此,对工作面出一侧采空煤柱压架机制的分析应从该关键层破断运动的角度进行,该关键层在工作面出煤柱时发生何种型式的破断运动,对压架机制的分析至关重要。在下煤层工作面推出煤柱边界前,煤柱上方关键层是否会发生破断以及发生何种型式的破断,主要取决于下煤层切眼距上覆煤柱边界的距离d3.1工作面破断的力学模型当工作面位于煤柱区下开采时,由于煤柱上方关键层1始终未达到其初次破断距,因此其上覆岩层的载荷主要由工作面开采范围前后的支点A和B支撑,如图4(a)所示。其中,支点A为工作面采空区后方开采边界处的煤岩体,支点B为工作面前方直至煤柱边界范围内的煤岩体;且随着工作面逐渐靠近煤柱边界,支点B的范围将逐渐缩小。当工作面推进至煤柱边界附近时,由于支点B范围内的顶板岩层大部分均已进入采空区,此时的支点B将转嫁到工作面支架控顶区的范围之内,如图4(b)所示。若此时关键层1的悬露长度已超过其周期破断距时,随着下部岩层的下沉,关键层1必将发生大跨度的悬臂式破断,从而形成块体G;同时与采空区一侧已断的块体H共同发生相对回转运动,将其上覆岩层的载荷直接施加到工作面支架之上,若支架的承载能力不足时,则压架事故随之发生。此时的关键层1破断块体G,H即为控制工作面矿压的关键块体。根据以上分析,可在关键层1刚开始发生破断的瞬间,对关键块体G建立如图5所示的力学模型。其中,F式中:l根据采场“砌体梁”结构计算模型其中,式中:h由于l而支架通过顶板岩层的作用力R式中:R若设关键层1的载荷层厚度为H其中,H根据“砌体梁”结构理论3.2出煤柱前煤柱角度若当工作面在出煤柱前关键层1即已发生了初次破断,则工作面出煤柱时,关键层1将处于周期破断状态,此时形成的块体G将与采空区侧关键块体H呈现如图7(b)所示的三铰式铰接结构,这与引言中提及的鞠金峰等3.32种类型下旋转压力的比较从上述压架机制的分析可以看出,工作面出一侧采空煤柱前,无论关键层1是否发生初次破断,出煤柱时压架的发生均是由于煤柱边界上方关键块体的破断与回转运动造成的,关键块体回转过程中传递的过大载荷是压架发生的根本原因。然而,2种类型对应关键块体回转运动所传递的载荷大小却存在着一定的差异,而这种差异也将对压架发生的危险程度产生较大影响。对于第Ⅱ种类型,设左右关键块体G,H的长度均为关键层1的周期破断距l其中,式中:k而对于第Ⅰ种类型,根据式(3)可得关键块体G下部的支撑力为若假设2种类型对应关键层1的上覆载荷相同,即H取i由此可见,下煤层切眼位置的不同不仅会影响到工作面出煤柱时煤柱上方关键层1的破断型式,还会影响到关键块体回转运动传递载荷的大小,从而会对压架的危险程度产生影响。3.4钻孔立柱的实测由前述分析可对石圪台煤矿12102和12103工作面出一侧采空煤柱开采的压架进行归类和验证。根据现场的实测结果,石圪台煤矿1首先,根据图3所示的钻孔柱状,可对两工作面煤柱上方关键层1的载荷层厚度进行判别。根据钱鸣高等式中:l为关键层的周期破断距,R而根据14键块体回转运动影响由前述压架机制的分析可知,在我国液压支架现有的制造水平条件下,支架阻力通常无法抵挡煤柱上方关键块体回转运动传递载荷的作用;因此,试图通过提高支架阻力来防治类似石圪台煤矿出一侧采空煤柱开采的压架事故是难以实现的。而节3的分析已表明,工作面切眼位置的不同会对压架的发生产生明显影响。因此,从中寻找出保证工作面出一侧采空煤柱安全的合理切眼位置,对出煤柱压架事故的防范至关重要。4.1煤柱下煤层切眼布置工作面出煤柱时其上关键层1是否会发生破断是决定工作面压架与否的关键。因此,若关键层1在工作面出煤柱时无法发生破断,则工作面的压架也就不会发生。因此,对下煤层切眼布置时,应保证煤柱上方关键层1不发生破断,即d其中,Y的表达式式中:D为切眼宽度;Y为集中应力峰值距煤柱边界的距离;M因此,在近距离煤层工作面开采设计时,应尽量将下煤层切眼布置在上覆煤层的采空区下,避免发生出一侧采空煤柱的开采;而若下煤层切眼不得不布置于上覆煤柱区下方时,则应按照式(11a)所示的条件进行切眼的布置,从而达到防治压架的目的。4.2双碱公司的概况凯达煤矿隶属内蒙古伊泰煤炭股份有限公司,位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗境内。该矿2602由于上下煤层间距较小,为了便于下部260226025单因素扩散模拟测试5.1相似材料配比模拟试验选用重力应力条件下的平面应力模型架进行,试验模型架长120cm,宽8cm。模型的几何相似比为1∶100,密度相似比为1∶1.6,应力相似比为1∶160。模型中各岩层的设置以前述石圪台煤矿两工作面的开采条件为基础,并将各岩层进行简化,直接顶均采用软岩模拟。模拟方案设计时,按照切眼位置的不同共设置2个试验方案,对应切眼距煤柱边界的距离端面d各岩层材料配制以河砂为骨料,石膏和碳酸钙为胶结物,在岩层交界处设一层云母以模拟岩层的层理与分层。软岩层的分层厚度为2m。各岩层的相似材料配比及物理力学参数见表2。由于煤系地层中煤层顶板各类岩层的容重差别均不大,且对岩层破断运动起主导作用的是各岩层的强度及变形特性而非容重5.2试验验证和试验结果工作面出一侧采空煤柱各开采方案模拟试验结果如图10所示。由图10(a)可以看出,在方案1切眼距煤柱边界30m的开采条件下,当工作面处于煤柱下开采时,关键层1因未能达到其初次破断距而一直处于悬空状态;而当推出煤柱边界2m时,关键层1由于其较长的悬露长度发生了破断,由此形成了关键块体G,并与采空区侧关键块体H发生相对回转运动,将其上覆岩层的载荷直接传递到煤层间岩层之上,最终造成了顶板的切落和压架的发生。试验结果验证了前述工作面出一侧采空煤柱第I种类型的压架机制的分析。而当将切眼距煤柱的距离减小至10m时,对应试验结果如图10(b)所示。结果显示,上煤层开采时关键层1的周期破断距为16~20m,明显大于d若将切眼位置进一步深入煤柱内部,此时将对应于工作面出一侧采空煤柱开采的第Ⅱ种类型,由于这种类型与工作面出两侧采空煤柱的开采类似,而有关出两侧采空煤柱开采的模拟试验已在鞠金峰等6工作面切眼位置煤柱压架防治对策(1)结合石圪台煤矿12102和12103工作面在推出上覆一侧采空煤柱时的压架事故,按照煤柱上方关键层在工作面出煤柱前是否发生初次破断,分2种类型对压架发生的机制进行了分析。煤柱上方关键层的破断与回转运动传递给支架的过大载荷是造成工作面压架的根本原因。(2)下煤层切眼位置是影响工作面出一侧采空煤柱开采压架与否以及压架强度的重要因素,切眼距离煤柱边界越近,出煤柱的开采越安全。同等条件下,当切眼距煤柱边界的距离介于煤柱上方关键层周期破断距的1.7~1.9倍与其初次破断距之间时,出煤柱时的压架强度将显著增大。12102工作面切眼位置处于此范围中,其压架时的活柱下缩量达1200mm,明显大于