特厚煤層綜放開采壓架發(fā)生機(jī)制及防治對策

特厚煤層綜放開采壓架發(fā)生機(jī)制及防治對策

1工作面出兩側(cè)采空煤柱的壓架防治對策位于蒙古國、陜西省和山西省交界處的神福東勝礦區(qū)（以下簡稱神東礦區(qū)）。這是中國的重要煤炭生產(chǎn)基地。它也是世界上最大的千萬噸礦床和數(shù)千噸產(chǎn)品群的礦區(qū)。煤層埋藏淺、傾角小、地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單是該礦區(qū)煤層賦存的典型特征相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,上述的壓架事故主要出現(xiàn)在2種出煤柱開采的過程中(見圖1):(1)出兩側(cè)采空煤柱,即下煤層切眼布置在上覆遺留煤柱一側(cè)的采空區(qū)下方,且煤柱位于工作面開采的推進(jìn)范圍內(nèi),工作面將會(huì)經(jīng)歷“采空區(qū)→煤柱區(qū)→采空區(qū)”的開采過程。(2)出一側(cè)采空煤柱,即下煤層切眼布置于上覆一側(cè)采空煤柱下方,工作面回采期間僅經(jīng)歷“煤柱區(qū)→采空區(qū)”的開采過程。針對工作面出兩側(cè)采空煤柱時(shí)的壓架問題,鞠金峰等由此提出了以消除關(guān)鍵層塊體結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)為思路的壓架防治對策。然而,對于該礦區(qū)發(fā)生的工作面出一側(cè)采空煤柱時(shí)的壓架事故,其壓架的機(jī)制如何,與出兩側(cè)采空煤柱的壓架有何區(qū)別,以及對此類壓架事故又該如何防范等問題,仍沒有相關(guān)的研究。神東礦區(qū)石圪臺(tái)煤礦12省神木縣檢礦沿空煤柱的壓架事故案例石圪臺(tái)煤礦是神東煤炭集團(tuán)所屬的主力千萬噸生產(chǎn)礦井之一,位于陜西省神木縣境內(nèi),主采1該礦12102,12103工作面位于1兩工作面在推出上覆一側(cè)采空煤柱的開采過程中,均發(fā)生了支架活柱短時(shí)間內(nèi)急劇大幅下縮的壓架事故(見表1)。其中,12102工作面273煤柱邊界的巷道結(jié)構(gòu)上煤層開采留設(shè)煤柱后,上覆關(guān)鍵層會(huì)在煤柱邊界一側(cè)破斷形成如圖4所示的“半橋式”鉸接結(jié)構(gòu),并承擔(dān)著其所控制的那部分巖層的載荷。當(dāng)下煤層工作面逐步推出煤柱邊界時(shí),此結(jié)構(gòu)的斷裂巖塊必然會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);當(dāng)這種結(jié)構(gòu)不能維持其自身穩(wěn)定性時(shí),就會(huì)對下煤層工作面產(chǎn)生沖擊作用,造成壓架事故的發(fā)生。因此,對工作面出一側(cè)采空煤柱壓架機(jī)制的分析應(yīng)從該關(guān)鍵層破斷運(yùn)動(dòng)的角度進(jìn)行,該關(guān)鍵層在工作面出煤柱時(shí)發(fā)生何種型式的破斷運(yùn)動(dòng),對壓架機(jī)制的分析至關(guān)重要。在下煤層工作面推出煤柱邊界前,煤柱上方關(guān)鍵層是否會(huì)發(fā)生破斷以及發(fā)生何種型式的破斷,主要取決于下煤層切眼距上覆煤柱邊界的距離d3.1工作面破斷的力學(xué)模型當(dāng)工作面位于煤柱區(qū)下開采時(shí),由于煤柱上方關(guān)鍵層1始終未達(dá)到其初次破斷距,因此其上覆巖層的載荷主要由工作面開采范圍前后的支點(diǎn)A和B支撐,如圖4(a)所示。其中,支點(diǎn)A為工作面采空區(qū)后方開采邊界處的煤巖體,支點(diǎn)B為工作面前方直至煤柱邊界范圍內(nèi)的煤巖體;且隨著工作面逐漸靠近煤柱邊界,支點(diǎn)B的范圍將逐漸縮小。當(dāng)工作面推進(jìn)至煤柱邊界附近時(shí),由于支點(diǎn)B范圍內(nèi)的頂板巖層大部分均已進(jìn)入采空區(qū),此時(shí)的支點(diǎn)B將轉(zhuǎn)嫁到工作面支架控頂區(qū)的范圍之內(nèi),如圖4(b)所示。若此時(shí)關(guān)鍵層1的懸露長度已超過其周期破斷距時(shí),隨著下部巖層的下沉,關(guān)鍵層1必將發(fā)生大跨度的懸臂式破斷,從而形成塊體G;同時(shí)與采空區(qū)一側(cè)已斷的塊體H共同發(fā)生相對回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),將其上覆巖層的載荷直接施加到工作面支架之上,若支架的承載能力不足時(shí),則壓架事故隨之發(fā)生。此時(shí)的關(guān)鍵層1破斷塊體G,H即為控制工作面礦壓的關(guān)鍵塊體。根據(jù)以上分析,可在關(guān)鍵層1剛開始發(fā)生破斷的瞬間,對關(guān)鍵塊體G建立如圖5所示的力學(xué)模型。其中,F式中:l根據(jù)采場“砌體梁”結(jié)構(gòu)計(jì)算模型其中,式中:h由于l而支架通過頂板巖層的作用力R式中:R若設(shè)關(guān)鍵層1的載荷層厚度為H其中,H根據(jù)“砌體梁”結(jié)構(gòu)理論3.2出煤柱前煤柱角度若當(dāng)工作面在出煤柱前關(guān)鍵層1即已發(fā)生了初次破斷,則工作面出煤柱時(shí),關(guān)鍵層1將處于周期破斷狀態(tài),此時(shí)形成的塊體G將與采空區(qū)側(cè)關(guān)鍵塊體H呈現(xiàn)如圖7(b)所示的三鉸式鉸接結(jié)構(gòu),這與引言中提及的鞠金峰等3.32種類型下旋轉(zhuǎn)壓力的比較從上述壓架機(jī)制的分析可以看出,工作面出一側(cè)采空煤柱前,無論關(guān)鍵層1是否發(fā)生初次破斷,出煤柱時(shí)壓架的發(fā)生均是由于煤柱邊界上方關(guān)鍵塊體的破斷與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)造成的,關(guān)鍵塊體回轉(zhuǎn)過程中傳遞的過大載荷是壓架發(fā)生的根本原因。然而,2種類型對應(yīng)關(guān)鍵塊體回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所傳遞的載荷大小卻存在著一定的差異,而這種差異也將對壓架發(fā)生的危險(xiǎn)程度產(chǎn)生較大影響。對于第Ⅱ種類型,設(shè)左右關(guān)鍵塊體G,H的長度均為關(guān)鍵層1的周期破斷距l(xiāng)其中,式中:k而對于第Ⅰ種類型,根據(jù)式(3)可得關(guān)鍵塊體G下部的支撐力為若假設(shè)2種類型對應(yīng)關(guān)鍵層1的上覆載荷相同,即H取i由此可見,下煤層切眼位置的不同不僅會(huì)影響到工作面出煤柱時(shí)煤柱上方關(guān)鍵層1的破斷型式,還會(huì)影響到關(guān)鍵塊體回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞載荷的大小,從而會(huì)對壓架的危險(xiǎn)程度產(chǎn)生影響。3.4鉆孔立柱的實(shí)測由前述分析可對石圪臺(tái)煤礦12102和12103工作面出一側(cè)采空煤柱開采的壓架進(jìn)行歸類和驗(yàn)證。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)測結(jié)果,石圪臺(tái)煤礦1首先,根據(jù)圖3所示的鉆孔柱狀,可對兩工作面煤柱上方關(guān)鍵層1的載荷層厚度進(jìn)行判別。根據(jù)錢鳴高等式中:l為關(guān)鍵層的周期破斷距,R而根據(jù)14鍵塊體回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)影響由前述壓架機(jī)制的分析可知,在我國液壓支架現(xiàn)有的制造水平條件下,支架阻力通常無法抵擋煤柱上方關(guān)鍵塊體回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞載荷的作用;因此,試圖通過提高支架阻力來防治類似石圪臺(tái)煤礦出一側(cè)采空煤柱開采的壓架事故是難以實(shí)現(xiàn)的。而節(jié)3的分析已表明,工作面切眼位置的不同會(huì)對壓架的發(fā)生產(chǎn)生明顯影響。因此,從中尋找出保證工作面出一側(cè)采空煤柱安全的合理切眼位置,對出煤柱壓架事故的防范至關(guān)重要。4.1煤柱下煤層切眼布置工作面出煤柱時(shí)其上關(guān)鍵層1是否會(huì)發(fā)生破斷是決定工作面壓架與否的關(guān)鍵。因此,若關(guān)鍵層1在工作面出煤柱時(shí)無法發(fā)生破斷,則工作面的壓架也就不會(huì)發(fā)生。因此,對下煤層切眼布置時(shí),應(yīng)保證煤柱上方關(guān)鍵層1不發(fā)生破斷,即d其中,Y的表達(dá)式式中:D為切眼寬度;Y為集中應(yīng)力峰值距煤柱邊界的距離;M因此,在近距離煤層工作面開采設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡量將下煤層切眼布置在上覆煤層的采空區(qū)下,避免發(fā)生出一側(cè)采空煤柱的開采;而若下煤層切眼不得不布置于上覆煤柱區(qū)下方時(shí),則應(yīng)按照式(11a)所示的條件進(jìn)行切眼的布置,從而達(dá)到防治壓架的目的。4.2雙堿公司的概況凱達(dá)煤礦隸屬內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司,位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗境內(nèi)。該礦2602由于上下煤層間距較小,為了便于下部260226025單因素?cái)U(kuò)散模擬測試5.1相似材料配比模擬試驗(yàn)選用重力應(yīng)力條件下的平面應(yīng)力模型架進(jìn)行,試驗(yàn)?zāi)Ｐ图荛L120cm,寬8cm。模型的幾何相似比為1∶100,密度相似比為1∶1.6,應(yīng)力相似比為1∶160。模型中各巖層的設(shè)置以前述石圪臺(tái)煤礦兩工作面的開采條件為基礎(chǔ),并將各巖層進(jìn)行簡化,直接頂均采用軟巖模擬。模擬方案設(shè)計(jì)時(shí),按照切眼位置的不同共設(shè)置2個(gè)試驗(yàn)方案,對應(yīng)切眼距煤柱邊界的距離端面d各巖層材料配制以河砂為骨料,石膏和碳酸鈣為膠結(jié)物,在巖層交界處設(shè)一層云母以模擬巖層的層理與分層。軟巖層的分層厚度為2m。各巖層的相似材料配比及物理力學(xué)參數(shù)見表2。由于煤系地層中煤層頂板各類巖層的容重差別均不大,且對巖層破斷運(yùn)動(dòng)起主導(dǎo)作用的是各巖層的強(qiáng)度及變形特性而非容重5.2試驗(yàn)驗(yàn)證和試驗(yàn)結(jié)果工作面出一側(cè)采空煤柱各開采方案模擬試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。由圖10(a)可以看出,在方案1切眼距煤柱邊界30m的開采條件下,當(dāng)工作面處于煤柱下開采時(shí),關(guān)鍵層1因未能達(dá)到其初次破斷距而一直處于懸空狀態(tài);而當(dāng)推出煤柱邊界2m時(shí),關(guān)鍵層1由于其較長的懸露長度發(fā)生了破斷,由此形成了關(guān)鍵塊體G,并與采空區(qū)側(cè)關(guān)鍵塊體H發(fā)生相對回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),將其上覆巖層的載荷直接傳遞到煤層間巖層之上,最終造成了頂板的切落和壓架的發(fā)生。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了前述工作面出一側(cè)采空煤柱第I種類型的壓架機(jī)制的分析。而當(dāng)將切眼距煤柱的距離減小至10m時(shí),對應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果如圖10(b)所示。結(jié)果顯示,上煤層開采時(shí)關(guān)鍵層1的周期破斷距為16~20m,明顯大于d若將切眼位置進(jìn)一步深入煤柱內(nèi)部,此時(shí)將對應(yīng)于工作面出一側(cè)采空煤柱開采的第Ⅱ種類型,由于這種類型與工作面出兩側(cè)采空煤柱的開采類似,而有關(guān)出兩側(cè)采空煤柱開采的模擬試驗(yàn)已在鞠金峰等6工作面切眼位置煤柱壓架防治對策(1)結(jié)合石圪臺(tái)煤礦12102和12103工作面在推出上覆一側(cè)采空煤柱時(shí)的壓架事故,按照煤柱上方關(guān)鍵層在工作面出煤柱前是否發(fā)生初次破斷,分2種類型對壓架發(fā)生的機(jī)制進(jìn)行了分析。煤柱上方關(guān)鍵層的破斷與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給支架的過大載荷是造成工作面壓架的根本原因。(2)下煤層切眼位置是影響工作面出一側(cè)采空煤柱開采壓架與否以及壓架強(qiáng)度的重要因素,切眼距離煤柱邊界越近,出煤柱的開采越安全。同等條件下,當(dāng)切眼距煤柱邊界的距離介于煤柱上方關(guān)鍵層周期破斷距的1.7~1.9倍與其初次破斷距之間時(shí),出煤柱時(shí)的壓架強(qiáng)度將顯著增大。12102工作面切眼位置處于此范圍中,其壓架時(shí)的活柱下縮量達(dá)1200mm,明顯大于