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煤矿深井开采矿压显现规律与控制

      
                                                                                       煤矿深井开采矿压显现规律与控制 开采深度的增加是矿井生产的自然规律,随之而产生岩石温度增加,地压增大,岩石破坏过程强化,巷道围岩变形剧烈,冲击地压强度增大和频度增加等自然现象。巷道对支架的工作特性要求高,初撑力、工作阻力和可缩量均大,即使开掘在底板岩石中的巷道,用拱形金属支架和各种结构封闭式支护的巷道有时也遭巨大变形。

  煤矿深井开采矿压显现规律与控制 2.煤矿深井巷道矿压显现特点

  2.1.煤矿深井巷道变形量大

  煤矿深井巷道矿压显现的显著特点之一是巷道开挖就产生大的收敛变形量。这一特点是由深井巷道围岩处于破裂状态和深井巷道围岩有较大的破裂范围决定的。苏联的研究表明,随煤矿深井开采深度加大,煤矿深井巷道变形量呈近似线性关系增大,从600m开始,煤矿深井开采深度每增加100m,巷道顶底板相对移近量平均增加10%-11%,如图1所示。理论分析表明,深部开采的煤矿深井巷道变形量随开采深度增大呈近似直线关系增大,如图2所示,开采深度每增加100m的煤矿深井巷道变形增量与岩体强度有关。

 

 

  国内外深部开采的实践表明,煤矿深井开采深度为800-1000m时,巷道变形量可达1000-1500mm甚至更大,与开采深度和岩石力学性质(破裂区厚度)等因素有关。由于深井巷道变形量大,若支护不合理(如采用刚性支架或支架的可缩量不足)时,煤矿深井巷道变形、破坏严重,因此,深井巷道的维修工作量大,维护费用高。实践表明,深部开采的巷道翻修率(损坏率)可达40%-80%(部分是由于支护不当造成的),甚至高达100%,与煤矿深井开采深度、岩石力学性质、支护方式、支架力学性能与参数,特别是可缩量等有关。

  2.2煤矿深井掘巷初期变形速度大

  煤矿深井巷道矿压显现的另一个显著特点是,巷道刚掘出时的变形速度很大。根据现场观测表明,深井巷道刚开挖时的变形速度可达50mm/d以上。观测巷道为赵各庄矿13水平东翼阶段运输巷(现场称为电车道),埋深1159m,围岩为煤至半煤岩,锚喷网支护。巷道掘出后,变形速度随时间的延续呈负指数曲线急剧衰减,经过一定时间后趋于稳定,如图3所示。

 

 

  2.3变形趋于稳定的时间长和长期蠕变

  变形趋于稳定要经历一个较长的时间过程是煤矿深井巷道矿压显现的又一大特点。从图3可见。

  2.4煤矿深井巷道底臌量大

  底臌量大是煤矿深井巷道矿压显现的又一个显著特点。而且,从国内外的有关报道看,深部开采的煤矿深井巷道底臌现象具有普遍性。据苏联对部分深井资料的统计分析,底臌现象及底臌量与开采深度有很大关系:即随开采深度增大,易于产生底臌的巷道比重越来越大,底臌量及其在顶底板相对移近量中所占的比重随开采深度增大而增大。

  2.5冲击地压发生的频率和强度增大

  理论研究和生产实践都表明,矿山冲击地压的发生、发生的频率和冲击强度与开采深度有密切的关系。随开采深度增加,煤、岩体因变形而积聚的能量呈二次方关系增加。因此,在深部开采条件下,煤、岩体中积聚了巨大的能量,当采矿活引起的能量释放速度大于煤、岩体破坏消耗的能量速度时,导致冲击地压的发生。实践表明,深部开采发生冲击地压的频率大大增加,冲击的强度显著增大。深部开采的冲击地压问题在岩体强度较大的矿山更为突出。

  煤矿深井开采矿压显现规律与控制 3.煤矿深井回采工作面矿压显现特点

  3.1老顶的初次来压

  当老顶达到极限跨距而且断裂时形成三铰拱式的平衡以后,随着工作面继续推进,将导致新岩块A的断裂,如图4所示。当老顶岩块失稳时,形成了岩块滑落,对工作面安全造成严重威胁。由于老顶破断岩块回转的影响,工作面顶板必然发生下沉。

 

 

  3.2老顶的周期来压

  老顶初次来压后,回采工作面继续推进,裂隙体梁所形成的结构将发生以下变化。如图5表示了这个变化过程。

 

 

  4.煤矿深井巷道的矿压控制

  4.1优化煤矿深井巷道布置

  采准煤矿深井巷道的布置应避开煤柱集中应力、构造集中应力、采动应力的影响,选择在岩性较为稳定的岩石中。深部采区主要准备巷道应以岩巷为主或至少布置一条岩巷。避免煤矿深井巷道相向掘进和巷道近距离平行布置,减少相交煤矿深井巷道(或避开锐角),从而减小应力集中,减少发生冲击地压的危险性。

  4.2改革煤矿深井巷道支护形式

  对国内外大量煤矿深井开采矿井的研究表明,布置在中硬以下岩层中的巷道变形破坏严重(特别是受采动影响后),当采深在800-1000m以上时,在中硬及中硬以上岩层内布置的巷道,若采用传统的支护方式,煤矿深井巷道维护仍很困难。因此,煤矿深井深井中,除要求合理布置巷道位置外,还应根据煤矿深井深井矿压特点,煤矿深井巷道支护必须满足既能加固围岩又能提供较大的支护力、具有较大的可缩性和一定的初撑力等要求,根据围岩状况和巷道条件,采用不同的支护形式。目前,深井巷道应采用的主要支护及控制措施有以下几方面。

  (1)在采准煤矿深井巷道中发展多种形式的U钢可缩性支架,是解决围岩高应力、大变形的有效支护形式。提高支架架设质量,加强壁后充填,改善支架受力状况。

  (2)发展以锚杆为主体的新型支护,即锚喷支护、锚梁网组合支护、锚杆与可缩性支架联合支护以及可缩性锚杆等。合理选择支护形式和参数,加强质量管理,完善检测手段等是锚杆支护应用的重要问题。

  (3)针对采准煤矿深井巷道不同时期,采动影响引起的不同围岩移动特征,采用改变煤矿深井巷道支护方式、调节巷道支护强度的非等强多次支护工艺,对改善煤矿深井巷道的技术经济效益有重要意义。

  (4)锚喷网联合支护在服务年限长,围岩较稳定的煤矿深井巷道中广泛应用,这一支护形式能充分发挥围岩自承能力,防止水及空气对围岩的风化作用。

  5、煤矿深井回采工作面的矿压控制

  5.1深井回采工作面矿压控制的特点

  深部采场矿压控制特点由深部采煤工作面顶板岩性变化特点和可能发生的冒顶事故类型决定。经调查,煤矿深井开采煤层的顶板岩性变化随着采深增加,顶板岩层有逐渐变碎和强度降低的趋势;随采深增加,断层、裂隙、层理和节理逐渐发育,同一层位的岩层分层厚度逐渐变薄,弱面增多,采场顶板悬顶长度逐渐减小,由不容易垮落变得容易垮落;在顶板岩层变碎和强度有所降低的情况下,深井采场出现漏垮型冒顶事故的可能性加大。

  5.2煤矿深井回采工作面矿压的控制措施

  (1)对工作面前方已产生裂隙的煤、岩体,超前工作面注浆,注入树脂类粘结剂,使其固化,提高煤岩体自身强度,保证其稳定性;也可采用深孔树脂锚杆加固顶板和煤壁。

  (2)尽量缩小端面空顶距,减小无支护面积。若液压支架前探梁有伸缩功能,更有利于新暴露顶板的及时维护,特别有利于片帮后裸露顶板的管理。

  (3)提高前梁支撑力,及早地使支撑力与顶板压力取得平衡,减小新暴露顶板的离层、挠曲机率。加强移架工序的管理,尽力减少破碎顶板的活动程度。

  (4)对单体支柱工作面,顶梁上尽量铺笆或金属网,若有漏顶,应及时构顶填实,以防顶板失控,导致支架的失稳。

  (5)要有合理的开采顺序和回采方向,避免应力叠加造成煤壁压酥,顶板破坏。

  (6)工作面上、下出口及上、下顺槽超前支承压力的应力叠加带,应优先选用稳定性较好的十字铰接顶梁支护系统。

  (7)要踏实地做好测压工作,掌握初次垮落、初次来压、周期来压步距、超前支承压力的有害影响范围、支柱载荷及巷道围岩变形规律,以便针对性地做好量化管理。

  5.结论

  (1)煤矿深井巷道矿压显现的显著特点之一是巷道开挖就产生大的收敛变形量。这一特点是由煤矿深井巷道围岩处于破裂状态和煤矿深井巷道围岩有较大的破裂范围决定的。

  (2)国内外深部开采的实践表明,煤矿深井巷道变形量与开采深度和岩石力学性质(破裂区厚度)等因素有关。

  (3)深部开采发生冲击地压的频率大大增加,冲击的强度显著增大。深部开采的冲击地压问题在岩体强度较大的矿山更为突出。

  (4)避免煤矿深井巷道相向掘进和巷道近距离平行布置,减少相交煤矿深井巷道(或避开锐角),可以有效地减小应力集中,减少发生冲击地压的危险性



 



 



 



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