中 国 科 学 院 院 士 宋振骐
山东省煤管局总工程师 陈立良
山东矿业学院矿压研究所 王春秋 刘先贵
对于未开始推进的工作面,当已知上覆各岩层分层厚度(依煤层柱状或石门剖面图),可按岩层失稳冒落的条件,由下向上逐层推出既采高h条件下的垮落岩层(即直接顶)总厚度mi值:
如各分层采高相同(hm=h),则当假顶完全压实,即Kc≈1时,mnm=mc1,冒高值与开采顶分层时相同;但当假顶未压缩,即kc = kA时,mnm = nmc1,第n分层的冒高是第一分层冒高值的n倍。可见开采下分层时,假顶的压实情况对冒高值大小有重大影响。
实践证明,对于一般岩层覆盖的采场,老顶总厚度大约为采高的4-6倍,老顶所包含的“传递岩梁”数目,一般不超过3个。组成老顶各“传递岩梁”的岩梁厚度为同时运动岩层的厚度之和。上下两岩层同时运动的条件可由下式表示:
在生产现场,可以根据实测所得采场支架阻抗力或顶板下沉量随工作面推进距离关系曲线直接推断老顶岩梁数目及运动步距值。
老顶来压时,直接顶和下位岩梁断裂,破坏线深入煤壁前方,上覆岩层作用在煤(或岩)层上的“支承压力”(或相对应的支承反力)明显的分为两个部分,是该采场条件下结构模型的重要特征.其中,处于“内应力场”(图3中S1部分)中的煤体已经破坏,其承受的压力大小由直接顶和老顶运动的作用力决定。显然,当老顶来压完成进入稳定状态后,该部分煤体的支承反力只要平衡直接顶的作用力即可。分布于“外应力场”(图3中S2部分)煤体上的支承压力由上覆岩层的总体作用力所决定,其大小分布范围受直接顶和老顶的影响较小。
当开采深度较小,或者煤层强度较高,支承压力不足以超前破坏煤壁的情况下,采场的结构模型如图4所示,即直接顶及老顶的断裂破坏将在煤壁处发生,“内应力场”的范围(S1)将趋于零。
目前,作为实用矿山压力理论的核心—矿山压力分布、矿山压力显现与上覆岩层(直接顶及老顶)运动间关系的理论研究已经取得重要成果,通过矿山压力显现推断上覆岩层运动和支承压力分布,实现对顶板活动和矿山压力分布预测预报的“井下岩层动态观测研究方法”,已有了广泛的实践基础。在生产现场针对具体煤层和开采条件建立采场结构模型的工作已经进入到实用阶段.
采场结构模型的类型和相应的结构参数确定之后,开采方法的选择、开采参数确定等设计决策,也就有了科学的基础。例如:知道直接顶的厚度m2及老顶下位岩梁的厚度mE1和来压步距CE1就能够按下列要求选择综采支架,排除推垮工作面和压死支架等重大事故:
支架的允许缩量:εr>ΔhA
式中:Sr—支架支护面积=支架宽度 (B)×控顶距(Lk),m²;
ΔhA—下位岩梁裂断来压触矸时的最大采场顶板下沉量,m;
Δhrmin—上位岩梁裂断前计算或实测到的最小采场顶板下沉量;
ƒx—悬顶系数
同样,知道了采场结构力学模型,为相邻工作面准备的回采巷道位置、开采或准备的时间以及正确的维护方法,也不难确定。其中,属于有内应力场的结构模型(如图3所示),如果不出现底鼓等情况,则正确的设计决策分别为:
沿空留巷(图3中1的位置):此时支架阻抗力最小需平衡直接顶的作用力,支架的可缩量应适应下位岩梁触研并压实的沉缩全过程。其最小值△hmin可由下式近似推出:
式中:S1—内应力场范围,m;
B—巷道宽度,m;
d—老顶下位岩板侧向裂断宽度,一般接近推进方向来压步距(C1)
煤柱护巷(即图3中4的位置):此时巷道应在接近原始应力区的部位开掘,支护方式和支护阻力应按相应区域的巷道压力设计。
在内应力场(即图3中2的位置)掘巷:此条件下掘巷的时间必须在老顶运动基本稳定之后,支护方式应考虑内应力场煤体已经破坏的现实,支护阻抗力应不低于平衡直接顶作用力的要求,可缩量应能适应工作面推进至老顶来压时的内应力场可能出现的最大巷道顶板下沉量。
显然出现内应力场结构的条件下,要绝对避免在高应力区(即图3中3的位置)开掘和维护回采巷道。在该处布置巷道,围岩将承受超过原始应力(rH)的几倍,不仅巷道维护困难,而且经常在掘进时引发冲击地压和瓦斯煤层突出等重大事故。
对于图4所示不出现内应力场结构类型的采场,回采工作面控制设计以防止老顶动压冲击为前题,无需考虑煤壁片塌和直接顶破碎等事故。满足此要求的支护阻抗能力,应保证在直接顶和下位岩梁来压时完全平衡其作用力,即不出现安全阀开启、顶板沉降的情况。在该条件下考虑巷道矿压控制设计决策的基本原则是沿空送道或把巷道布置在支承压力分布区域(一般不超过8-10m)之外的任何位置。掘进时间不受岩层运动限制。如果采用沿空留巷方案,则支护阻抗力应平衡垮落直接顶的作用力,压缩量则必须适应老顶稳定过程中的全部巷道沉降量。
放顶煤综采条件下的采场结构模型如图5所示,与同一煤层分层开采条件下的结构模型相比有以下特点:
①由于采出煤层的厚度(采高hd加放出顶煤厚度hr)增加,冒落岩层总厚度即直接顶厚度(m2)将比分层开采大的多,具体值仍可按顶分层开采条件下的顶分层冒高即式(3)-(8)的推断方法确定。
②顶煤的实际回收情况对采场结构组成状态及相关参数的影响很大。有关结构运动对采场矿压显现的影响要比分层开采复杂得多。因此,采场矿压显现的规律性是顶煤回收率是否均衡可靠的一个重要标志。在放顶煤开采条件下,垮落的直接顶厚度(m2)与采空区残留的浮煤高度(hf)间的关系可用式(13)表出:
③由于一次采出煤层厚度增加,出现内应力场的可能性及应力场所伸展的范围都比分层开采条件下大得多。研究证明,内应力场范围与一次采出的煤层厚度(hr+ hd)近似成正比。
针对放顶煤开采的采场结构模型特点,其开采设计决策应考虑下述原则:
a支架阻抗力的下限应能按平衡顶煤和直接顶同时运动的作用力;上限不超过对老顶下位岩梁(mE1)采取限定变形工作方案设计,即:
合力作用点距煤壁的距离,m
对于放顶煤支架,合理的工作状态应保证合力作用点处于控顶区的中央,即Li =0. 5Lk。
b鉴于内应力场范围的扩大,更有条件考虑在内应力场中掘进布置回采巷道,以解决采场巷道矿压控制方案问题.
3提高放顶煤综采回收率及实现条件
鉴于能保证均匀分层开采的煤层条件并不多,加之分层开采巷道煤柱损失不可避免,因此简单的得出缭放采区回收率将低于分层综采的结论是不正确的。相反,对于厚度有变化,特别是构造复杂的厚煤层,只要顶煤放出条件具备,开采设计决策正确,争取综放回收率高于分层开采是完全可能的。
在综放实现安全开采的前提下,保证采场较高回收率的条件是:
①顶煤能破碎到由放煤口自由放出的程度,即煤层可放性好。
②直接顶板(特别是下位岩层)能随顶煤的放出而及时冒落,并及时充填已放出的顶煤空间,即直接顶各岩层冒落性好,垮落步距小。
③采场支架选型及工况合理。
④放顶煤工艺正确,顶煤放出率高。
前两条是前提和基础,后两条是实施的关键。
3.1顶煤破碎过程及实现的条件
具备可放性条件的煤层,顶煤的破坏一般将经历在煤壁前方受支承压力作用超前破坏,进入支架上方后,在顶板压力作用下挤压破坏和在移架过程中反复支撑破坏等三个发展过程。
煤壁前方出现压力显现随老顶来压而明显变化的内应力场,是顶煤已超前破坏的标志.如果忽略煤层各分层间以及煤层与顶板间粘结力,不考虑顶煤(hr)和底煤(hd)边界条件的差别,则可以用下式近似表达放顶煤开采条件下内应力场范围和存在条件,即:
式中:H—开采煤层深度;
Kmax-最大应力集中系数,悬露岩层的范围愈大,该值愈高。根据目前研究结果,Kmax在一般煤层和开采技术条件下.Kmax变化于1.8-2.6之间;
σc—煤层最弱分层的单向抗压强度;
hr—可放出的顶煤厚度;
ε—考虑煤层结构影响的系数
在生产现场,可采用“动态法”在超前巷道中观测老顶来压前后支承压力的显现,判定内应力场的存在和范围的大小。
对于不具备顶煤超前破坏的采场,有人建议采用预注水软化煤层,超前爆破等措施,人为制造内应力场的办法,以实现放顶煤开采。该建议由于工艺复杂,当前尚未见到实践的实例。作者认为,在含高瓦斯煤层.需要沿顶板开掘专门巷道抽排瓦斯的条件下,综合考虑上述措施是可行的。
顶板压力对顶煤的挤压破碎作用,只有在顶板运动(来压),而且支架处于阻抗(限定变形)的工作状态条件下才能发生。显然.当顶板比较坚硬的条件下.在顶板处于相对稳定状态的日常期间依靠顶板压力破坏顶煤是不可靠的。因此不难得出,靠顶板压力实现破煤的条件为:
①顶板(包括直接顶和老顶)强度较低,来压步距很小的采场;
②已开采顶分层(顶板已经历过一次破坏运动)的采场;
③支架的阻抗能力(包括初撑力及工作阻力)高,在日常和顶板来压期间都能保持在“限定变形”状态下(承载)工作。
在生产现场,放顶煤支架前后柱始终处于高承载状态,由活柱缩量或支架阻力等压力显现表达的显现规律没有明显周期性等是顶板挤压破坏顶煤作用实现的标志。
顶煤在移架过程中.依靠反复支撑继续剪切破坏顶煤是一个非常重要的过程。但是,只有当顶煤的前述两个破坏过程已经实现的条件下,才能起到作用。支架阻抗力愈高,初撑力愈大(接近工作阻力),其作用的发挥效果愈好。
综上所述可知,顶煤能否超前煤壁破坏是判别煤层可放性的基础。只有煤壁前方出现压力显现随老顶活动而明显变化的“内应力场”,才有可能在不采取爆破等辅助性破煤措施的情况下,实现较高回收率的目标。实践证明,当顶煤超前破坏不能实现(即无“内应力场”),特别是当顶板比较坚硬,不能随顶煤放出而及时冒落的情况下,采用先开采顶分层,网下放顶煤的方案是十分有效的。采用该方案,可以通过在支架前上方打眼爆破松动后,依靠已经历过一次运动的顶板压力破碎顶煤,实现高回收率放煤的目的。
3. 2放煤工艺及支架工况的确定
在顶煤能气破碎放出,顶板条件适宜的前提下,相适应的正确的合理的放煤工艺及与之相适应的支架选型和工作状况的确定,是保证较高回收率的关键。
综采放煤工艺包括放煤程序、放煤步距、放煤时间及放煤量的控制等。合理的放煤工艺的实现,与支架型式选择、支架初撑力和工作阻力的确定,以及支架在采场的实际工作状态紧密的联系在一起。合理的放煤工艺应保证放煤过程中顶煤运动的连续性和规律性,保证直接顶板有规律的暴露(失去顶煤支承)和及时的冒落,见图6-(a),保证支架及时有规律的承压,并按要求的工作状况控制顶板的运动和顶煤的活动。根据理论研究和实践经验的分析,可以归纳出符合上述要求的工艺原则为:
①要保持要求的安全割煤和移架放煤间距,防止出现图6-(b)所示支架蹬空(上方顶煤放空),诱发端部漏顶事故。
②尽可能将放煤步距、移架步距与直接顶,特别是足够厚度的下位岩层垮落步距统一起来。应当考虑研究移架步距与一次割煤步距不同步的放顶煤支架。
③采用依次连续跟进顺序放煤,以保证尽可能的扩大已经启动的放煤口宽度和已启动的顶煤顺向流动的连续性,保证直接顶板暴露和垮落的连续性和规律性。如果单口放煤不能满足运输机运出能力的要求,可以采用分段同时工作方案。应当避免采用随意间隔开口分点放煤的工作程序。
放顶煤支架必须有足够的工作阻力和尽可能高的初撑力,保证控制顶煤和顶板运动的需要。支架的工作阻力绝对不能小于平衡垮落的直接顶作用力的需要。目前,由于不少放顶煤工作面顶煤回收不尽、采空区不均匀堆积的浮煤对顶板结构组成和支承状况的影响,实测出的支架阻抗力要比分层综采低得多。必须指出,这个结果是靠老塘丢煤换来的,不能由此得出放顶煤综采工作面支架阻抗力可以比分层综采低的结论。
由图6 - (a)可知,必须保证放顶煤支架在高承载(阻力高)和“高位态”(升架高度大.前后柱阻力和缩量相近)的状况下工作。防止出现图6- (b)所示支架上方蹬空和端部漏顶事故。实践证明。对于采用低位放煤的四立柱支撑掩护式支架,使前后柱处于基本相同的高阻力状态下工作,能保证在充分发挥顶板压力破煤作用的同时,可靠的避免支架上方顶煤在移架前片塌的危险。保持“放煤漏斗”中轴线偏向采空区是防止端部漏顶的关键。目前,某些放顶煤综采工作面以想象有利于放煤需要.人为降低后立柱高度和阻抗力的做法是不正确的。
在移架过程中保证支架前后柱能升到要求的高度并达到要求的初撑力.是保证支架按高承载和高位态状况下工作的关键。
3. 3提高放顶煤开采采区回收率的措施
提高综放采区回收率要从提高工作面顶煤放出率和减少护巷煤柱损失两个方面同时入手。对于厚度超过10m的厚煤层,特别是在直接顶板坚硬的条件下,应采用在开切眼处强放直接顶,先采顶分层网下放顶煤的方案。这样既发挥了网下综放回收率高的优势,又能避免整层放顶煤综采老顶第一次来压期间高的顶煤损失。在减少护巷煤柱损失方面的关键措施是改变开拓准备布置,实现在稳定的内应力场中掘进和维护回采巷道。
从前述“综放采场结构模型”的特点可知,同一煤层“综放”条件下,支承压力影响范围和其中的宽度,都要比分层开采条件下大得多。这一结果说明,如果采用在原始应力区开掘巷道的煤柱护巷布置,“综放”条件下的煤柱损失,将会比同一煤层分层开采大得多。相反,由于“内应力场”范围扩大.采取在稳定的内应力场中开掘和维护巷道,就有了更加可靠的条件。
4放顶煤综采安全开才的条件
在“综放”采场是否更容易发生岩层运动和矿山压力有关的冲击地压、瓦斯和煤层突出等重大事故?能否避免这些事故的发生?
可以想象,在“综放”条件下,由于顶煤的厚度大,无论是巷道还是工作面,这类事故一旦发生,其突出强度都有可能比分层开采大得多。但必须指出,不考虑具体开采条件下岩层运动和矿山压力分布的特点,不考虑巷道开掘的位置和开掘时间的区别,简单得出“开采深度大,冲击地压和瓦斯煤层突出危险大”的结论,是不正确的。同样,简单认为“综放”条件下,由于一次开采厚度增加,冲击地压和瓦斯煤层突出危险性增加,也是不正确的。不能离开“综放”条件下,矿山压力和岩层运动及相应的采场结构特点及相应的开采决策变化的可能性来谈这些问题。
4.1冲击地压事故及防治条件
研究和实践证明,在单一重力应力场条件下,当开采深度达到一定值后,只要煤层冲击倾向具备,都有发生冲击地压的危险,冲击地压发生的地点和实现的条件包括:
①在支承压力的高峰区域开掘巷道。到目前为止,无论是水采和旱采,都还没有见到在稳定的“内应力场”中开掘巷道发生冲击地压的实例;
②当坚硬的老顶岩梁裂断时发生的动压冲击和应力高峰的转移过程中,在工作面和相邻巷道中(应力高峰转移的部位)产生冲击和突煤事故。显然如果有“内应力场”作为缓冲,这类事故发生的可能性及强度都会小得多。
针对上述事故发生的条件及放顶煤综采采场结构模型中“内应力场”范围将扩大的特点,可以肯定的说,只要采用在“内应力场”开掘巷道的布署,避免发生冲击地压危险的可能性,要比同一煤层分层综采有利得多。
4.2瓦斯煤层突出事故的发生和防治条件
显然,在已经产生裂隙和破坏的内应力场,不具备储存大量的高能瓦斯的条件,只有在封闭性好,处于弹性高压状态的“外应力场”中,才有储存大量高能瓦斯的可能。因此,象避免冲击地压一样,只要实现在稳定的内应力场中开掘和维护回采巷道,就能够避免瓦斯煤层突出事故的发生。从这一点出发,可以说“综放”条件下发生瓦斯煤层突出事故的可能性也要比分层开采为小。
4. 3关于顶板事故发生和防治条件问题
综采支架是在顶煤的掩护下工作,因此,只要保证要求的支架工作阻抗能力,使支架能在“高阻力”、“高位态”的状态下工作,避免发生架上放空、架前漏顶的事故,可以肯定的说,综放条件下顶板事故发生的可能性及对生产的影响要远比分层开采小得多。
5“综放”采场高速推进的条件间题
由于“综放”工作面对地质构造和采高及煤层厚度变化的适应性比分层开采有利得多,加之发生顶板冒落事故的可能性小,因此,只要注意保证高的顶煤放出率,工作面高速推进是比较容易实现的。实践证明,当前影响“综放”工作面高速推进的关键是回采巷道的掘进和维护问题。如果采用煤柱护巷,很容易把巷道错误的布置在支承压力的高峰区,由此造成的巷道维护工作量会比分层综采成倍的增加.回采工作面推进将会遇到特大的困难。由于生产现场很少对采场支承压力分布进行实际测定,这种情况的发生是经常的.因此,在搞清现场采场支承压力分布的前提下,尽量采用在“内应力场”中开掘和维护回采巷道,是“综放”条件下保证工作面高速推进的关键。
6几点结论
①不能简单孤立的用煤层强度高低、顶板强度及开采深度大小等赋存条件作为“综放”使用条件的判据,应当把建立具体煤层条件下的实际采场结构模型作为“综放”条件研究的基础。因此,深化现场岩层运动和矿山压力分布的研究,完成在生产现场建立采场实际结构模型的实践,是当前“综放”发展的关键。
②采场前方支承压力分布出现“内应力场”结构是实现“综放”高效安全开采的客观基础。对于不出现“内应力场”结构的采场,特别是在顶板来压步距较大的情况下,应当采用先采顶分层网下综放的方案。
③采用能平衡顶煤及直接顶板作用力所必须的工作阻力的支架,保证该支架在“高阻力”、“高位态”下工作(即保证升架的高度和高的初撑力),以及采取正确的开采程序,实现在“内应力场”中掘进和维护回采巷道,是实现“综放”高效安全开采的关键。
参考文献
1宋振骐.实用矿山压力控制.中国矿业大学出版社,1988,12.
2尚海涛.潞安矿务局高产高效建设的探索与实践.煤,1994,3(5):5.
3充州鲍店矿,山东矿院矿压所.网下综采放顶煤开采技术研究报告.1994,8.
4王安民.王庄矿高产高效综采队的实践与认识.煤.1994,3(4):5.
5吴健.于海涌.回采工作面放顶煤数学模型的建立、放顶煤步距和顶煤高度确定.中国矿大学报,1989.
6张海戈.综放机理与端面稳定控制的研究.博士论文,1994.
作者简介
宋振骐,男,汉族。中国科学院院士.教授。全国政协委员,国际岩石力学局成员.1957年毕业于北京矿业学院,现任山东矿业学院矿山压力研究所所长,博士生导师。先后主持完成了国家“六五”、“七五”攻关项目、国家自然科学基金项目等20余项,其成果先后获国家科技进步、煤炭部科技进步等15项奖。曾著有《实用矿山压力控制》等5部专著,在国内外刊物上发表论文多篇。山东省泰安市山东矿业学院,邮政编码:2710190
下一篇:煤矿井下灾害研究