深井矿压显现及其控制技术探析

魏锦周 2019-07-31 版权声明 举报文章

【摘要】结合某矿的深井开采条件,分析了深井矿压显现规律,以此为基础提出了深井回采巷道围岩控制技术与方法,然后结合该矿实际条件分析了采场支护方法与支架参数确定,对于深井矿压显现控制具有重要指导作用。

【关键词】深井;矿压显现;巷道围岩;支护方法;锚杆

1、概述

某矿开拓水平已达1000m,巷道与采场围岩应力水平随着开采深度增加而增加,同时矿压显现剧烈,存在不同程度的片帮等问题,矿工生命安全与设备稳定性正遭受严峻威胁,深部矿压显现规律亟待研究。为了便于观察该矿的矿压显现情况,在某工作面采用“煤矿安全数据监测分析系统”计算机软件及其配套的YHY - 60型测力仪、FCH64/015型采集器进行矿压观测分析,根据观测数据绘制支架工作阻力曲线,最终推断出初次来压步距、周期来压步距、初次来压强度和周期来压强度等参数。

2、深井矿压显现分析

2.1煤壁片帮与采深的关系。深井条件下煤壁受到高地应力的作用,同时也受到来自采动的影响,因此煤体结构容易遭到破坏,进而导致力学失稳而发生片帮现象。一般而言,开拓水平越深,煤壁的片帮程度愈严重。此时若能采取有效的高强度支护措施,则可降低煤壁来自周围的传递负荷,一定程度上缓解片帮现象。反过来说,若支护措施做得不到位,或是说不能提供足够的支架初撑力,则片帮现象将不能得到有效控制。可见,加强煤壁支护强度是控制深井煤壁片帮程度的最为有效的措施之一。

2.2顶底板岩性与采深的关系。根据研究发现,煤岩体中的地应力会随着采深的增加而增加。处在深井高应力条件下,顶底板力学平衡结构容易被打破,而采动因素会加剧这一变化。这一过程可被具体描述为:由于高应力与采动压力的综合作用,在煤岩体中产生的裂纹会逐渐发育,导致整个结构破坏,煤岩体强度降低,从而顶底板岩性逐渐弱化。采深越深,弱化的程度愈明显。

3、深井回采巷道控制技术

3.1巷道围岩变形特征。在三轴等压应力作用下, 岩石的变形特性将受围压的影响,其变形特性为:岩石的屈服应力随围压的增加而提高;弹性段的斜率变化不大,即弹性模量和泊松比与单轴压缩下基本相等;在一定临界围压下,出现塑性流动现象,如果提高围压,不再出现峰值,岩石仍保留一定的承载能力,其应力-应变曲线呈单调增长趋势。除了上述所提及的弹性变形与塑性变形外,深井巷道围岩还具有流变特征。也就是说巷道围岩控制会因时间流逝而发生不同程度变化,我们将这种应力形变会随着时间推移而发生改变的现象称之为流变。从广义上来说,流变现象与加载速率效应都属于时间效应。深井内所进行的所有岩土工程都与时间效应有关,即存在于采场,也存在于巷道。对于前者,影响其变形也不过是几十个小时,对于后者,这个时间可以是几个月甚至长达数年,而对于服务年限更长的开拓巷道与准备巷道来说,时间效应影响时间就更长了。深井条件下这种时间效应会特别明显,由于流变所引起的矿压显现将变得更加剧烈,随着采深的增加,巷道围岩因流变而产生的变形量也逐渐增加。

3.2深井回采巷道支护与控制。1)回采巷道布置。回采巷道布置时应充分考虑其服务年限,也就是说尽量控制其围岩变形量与片帮程度,达到减小维护工程量与减少维修次数的目的。因此,在回采巷道布置时应提高围岩支护强度,并采取措施减轻采场移动支承压力与固定支承压力的影响程度。一般来说,控制相邻采场移动支承压力影响的方法有两种:①加大煤柱护巷宽度;②尽量在相邻采场采动影响过后再掘进回采巷道。同样,控制相邻采场固定支承压力影响的方法也有两种:①加大煤柱护巷宽度;②沿空掘巷。2)深井回采巷道支护。锚网梁索联合支护是深井支护最为常用的方法之一。该矿采取的主要支护措施有:①从设计角度出发,提高锚杆锚固力与支护强度,比如适当加粗、加长锚杆、锚索,采用高强度锚杆、锚索等,从而改善支护效果;②从施工工艺角度出发,积极采用锚杆施工新工艺,加密锚杆、锚索的布置间距,从而提高锚杆的支护强度;③加强特殊部位的锚杆、锚索支护效果,如在巷道底角与肩窝处采用蝶状异形锚杆托盘以提高锚杆的支护效果。此外,针对地质变化情况,锚杆、锚索支护方式也应做出相应调整,以确保较好的支护效果。

4、深部采场支护方法及支架选择

该矿定位为“两综”生产模式,边角残煤采用高档普采或炮采作为补充,深部开采时以综合机械化采煤为主。液压支架的选型有2种方法:系统分析法及综合评分法。

4.1液压支架参数。液压支架是综采工作面内主要综采设备之一,用于支护工作面顶板,因此液压支架力学参数设计非常重要,一般来说,初撑力和工作阻力是液压支架设计时主要考虑的因素,也就是说液压支架的支护强度取决于两者的大小和比值。1)支架初撑力。支架初撑力是液压支架应用时最先考虑的参数。选择合适的初撑力意义重大,其主要作用可以体现于以下几个方面:①合适的支架初撑力可以增加顶板围岩的自身强度和减轻工作面顶板岩层的破坏程度,进而缓解顶板的支承压力;②可以减轻工作面煤壁片帮程度,对顶板起到良好的控制作用,从而为支架下方的机械设备和人员提供保护;③可以将液压支架底座下方和顶梁上方的浮矸压实,进而能提高支撑效果;⑤可以减少顶底板相对位移量,从而保证工作面内有足够的工作空间;⑥适当提高初撑力可以减少支架的增阻值。2)液压支架工作阻力。决定支架合理工作阻力的方法主要有:载荷估算法、实测统计法及理论分析法等,当工作面有明显基本顶来压现象时,应按来压期间统计的支架阻力确定合理工作阻力。

4.2深部采场支架选型及其使用情况。1)深部采场支架选型。该矿深部采场内所选用液压支架型号WS117-113/218,是上个世纪80年代从国外引进而来,此型号的液压支架已相当陈旧,且没有前探梁和护帮板,稳定性非常不好,在实际应用过程已经诱发了多起小型事故。深部采场选用此型号的原因在于:①该矿的支架供应数量不足,可选择的余地非常小;②矿内大部分的液压支架设备都比较陈旧。2)深部采场支架使用情况。WS117-113/218型液压支架护帮护顶效果差,不能及时有效护顶护帮,易造成煤壁片帮、煤壁区漏冒顶事故,多次发生煤壁片帮、漏冒顶事故;为了减小端面距,支护煤壁区顶板,只有采取超前移架的办法,工作面大线难于采直。且该支架为分底式结构,底座面积较小,抗压入能力差,不能适应软底条件。由于工作面局部地段留底煤回采,支架底座钻底现象严重。支架老化严重,造成支架损坏严重,给顶板控制和安全工作带来威胁。现场顶板控制亟待加强和提高。现场常出现割煤后不能及时移架现象,支架初撑力和工作阻力达不到规定要求,采场顶板得不到有效支护,加剧顶板恶化,煤壁片帮程度加重。为了改善访矿的顶板支护情况,支架选型时应选择高支护阻力、有前探梁和护帮板、掩护效果好的支架,且支架底座面积也应足够大,以适应深部软底采场条件。

5、结束语

通过矿压观测分析研究,确定了深部矿压显现及其控制技术,基本解决了深部矿压显现及其控制方面的一些主要技术问题。找出了矿压与采深的关系,即1000米以上的深部采场周期来压明显,来压步距缩短,为深部矿压控制提供了依据。

参考文献

[1]朱若军,杨科,李志华.深井薄煤层综采面矿压显现规律研究[J].煤炭技术,2014(05).

[2]郭伟.采场矿压与矿压显现的理论研究[J].山西焦煤科技,2012(02).

[3]陈峰,刘中胜,李书刚.综放工作面矿压显现规律的研究[J].山东煤炭科技,2010(06).

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