专题-极松散“三软”煤层采场顶板控制技术研究.doc

1、专题部分极松散“三软”煤层采场顶板控制技术研究摘要：多年以来，我国对难采煤层采场顶板控制技术进行了大量的研究，已经取得了一定的成果。但还存在一系列的问题。大多数采场顶板控制设计还是依靠经验来进行，这种方法具有局限性并存在一定的盲目性，很难做到安全控制顶板，往往造成顶板事故多，支护效率低，经济效益差的局面。为了改变这一局面，有必要研究一套系统的顶板控制设计方法。本文在分析大量工程实测和现场调查的基础上，根据大刘煤矿2煤层2103工作面的地质条件和煤层赋存状况，通过理论分析，针对极松散“三软”煤层采场顶板控制的困难，优化炮采工艺参数，提出了单体液压支柱配合丌钢梁、双抗塑料网和塘材棍形成综合支护体系

2、的顶板控制方案。本着“支、护、稳、让”兼顾，以“护”为主的原则，采取了“加强护顶、护好底板、控制片帮”的一套系统的顶板控制措施。本文对极松散“三软”煤层采场围岩应力分布规律，顶底板岩层运动规律，采场支承压力分布规律进行了系统研究，得出了采场顶板来压步距和强度、需控岩层的范围和采场前方支承压力分布特征。再结合现场实测分析，对控制方案的合理性进行验证，进而优化设计方案，保证安全高效回采。本文研究成果对“三软”煤层开采和破碎顶板管理具有指导意义和参考价值。关键词：极松散“三软”煤层：采场；顶板控制；微差毫秒爆破；围岩应力；支承压力1.1问题的提出我国是一个产煤大国，煤炭是我国的主要能源，储量丰富。研

3、究报告指出，至2030年，煤炭在我国能源消费比重仍将占到70左右，国家对煤炭资源的开发可持续发展的呼声也越来越高，为了保证国民经济的持续健康发展，仍需要有计划的大规模的开采煤炭资源。但我国煤炭开采的效率低、采出率低、安全事故经常发生。对于一些难采煤层这种现象就更加严重了，难采煤层是指那些赋存不稳定、构造复杂或有特殊灾害威胁，在当前的开采条件下，开采困难、安全生产条件不好的煤层。目前，难采煤层基本上有两种类型：一是在当前开采技术条件下，实现正常安全生产有一定难度的煤层，需要一些特殊的、附加的技术安全措施方能顺利开采；二是由于地质构造条件复杂，赋存条件差，难以实现机械化开采的煤层。极松散“三软”煤

4、层属于第二类的难采煤层【1】，这类煤层一般是地质构造比较复杂，赋存条件差，煤层软、顶板软和底板也软。煤层软是指煤体本身强度低，普氏硬度系数很小，一般f=0.3l，而且存在着各种地质构造和节理等，松散破碎极易片帮。顶板软是指I类顶板，它的岩体强度指数D3MPa，允许暴露面积和时间分别在20m2和0.5h以下。底板软是指底扳极限比压q5MPa的极软和松软底板。随着工作面向前推进，一方面暴露出来的项板极易冒落，在大的构造应力作用下发生流变；另一方面底板软且大部分含有膨胀性粘土矿物，如蒙脱石、伊利石和高岭土，在受矿井水的影响下发生底鼓；而且煤壁片帮严重。这样对工作面的支护造成极大困难，严重影响安全生产

5、。因此控制好采场的顶板十分必要。“三软”煤层项板管理存在的问题，据统计，在我国煤矿中，每年因顶板事故死亡的人数占全部事故的45左右，其中工作面顶板事故约占70-80。而回采工作面事故中，单体支柱工作面占95左右。长期以来，人们一直将矿压观测的重点放在坚硬顶板工作面，对于“三软”煤层采场，由于其运动往往对安全不构成较严重的影响，所以，这方面的工作未能引起足够的重视。现场经验表明，这类采场有两个突出的特点【2】：一是顶板松软破碎，护比支有时更为严重；二是支柱钻底严重，影响支护效果。这既是顶板事故的隐患，也是制约安全生产的主要因素。从历年顶板事故统计来看，回采工作面内有70左右的顶板事故是发生在顶板

6、不稳定的工作面。深入研究回采工作面项板状况及其运动规律，掌握顶板事故发生的规律，及时采取针对性的控制措施，防止工作面顶板事故，是回采工作面顶扳控制设计和日常顶板管理的重要内容。经济合理的支护设计，必须充分考虑已有的工程经验，并与相应的实验及现场观测相结合。本课题来源于徐州天能集团大刘煤矿。开拓方式为立井片盘下山开采，回采工艺是放炮落煤。该矿地质条件复杂、地层倒转、矿山压力大，生产揭露倒转轴在250-380m之间，倒转轴走向SW240。，且下石盒子组2煤层是“三软”煤层，其f=07，全区可采，煤层厚032466m，平均18m。顶底板是软岩，其岩性如表1所示。顶底板和煤层受地应力时易流动变形既影响

7、煤质又增加支护管理的难度，这样严重制约了该煤层的开采设计、安全生产和经济效益。因此如何保证2煤层的安全回采是大刘煤矿当前的紧迫需要。表一 煤层顶板底板岩性1.2国内外研究现状无论国内或是国外“三软”煤层储量都占据了其煤炭储量的相当比重，加之“三软”煤层开采技术难度大，采场顶底板不易管理，回采事故率高，因此人们很早就开始关注“三软”煤层的合理开采问题。经过近几十年的发展，国内外煤矿开采针对各自所采煤层的具体情况都研究形成了一套行之有效的开采技术方法和控制技术。但对极松散。三软”煤层的安全开采还有待进一步的研究。1.2.1 “三软”煤层开采方法方面法国东部矿区的布朗齐矿主采煤层为松软煤层【3】，煤

8、厚2l0m，平均厚度8m，最厚的超过20m，煤层倾角最大达45。煤层顶板破碎，夹矸多层，最厚达1m。在这样复杂的条件下，布朗齐矿经过15年的努力完成了自下行分层开采到放顶煤开采的采煤方法的演变，并成功解决了放顶煤所带来的众多技术难题。一般情况下，在软岩煤层的长壁放顶煤采面中进行机械化落煤都遇到一定困难。当煤壁松软易片帮时。很难保持一个完整的煤壁。布朗齐矿针对采场具体情况，摒弃滚筒式割煤机，采用四支柱放顶煤液压支架支护和平行双刨煤机落煤、放煤的全新方式获得了意想不到的效果。徐州矿务局权台矿3煤层老顶为砂岩，厚46m，硬度系数f=8；直接顶为砂质泥岩，厚3.4m，硬度系数f=2，直接底板泥岩厚17

9、m，硬度系数f=4，老底为砂泥岩，其f=4；煤层硬度系数f=l，煤层厚度45m，属典型的“三软”煤层。在无法实现大采高一次采全厚的情况下，权台矿采用综合机械化放项煤技术并取得了成功。该面对开采中多种技术难题，采取综放两巷全煤巷方式跟顶布置，工作面在推进过程中，以6：l的比例下刹，支架由跟顶逐渐过渡到跟底的回采方式，在工作面下刹过程中当顶煤厚度达到1m以上时，方允许进行放顶煤工作。实践证明，该矿的做法完全实现了高产高效的目的。河南省豫西“三软”不稳定煤层的开采可以说是国内“三软”煤层开采的代表【4】，其开采情况复杂，采煤工艺全面。根据河南省煤研所对缓倾斜煤层顶底板分类的研究，全省开采的二煤层，除

10、豫北地区外，基本上属于“三软”煤层。以豫西较为突出，从陕渑煤田的西部煤层开看，煤层较为松软，其硬度系数f1，且节理发育，易片帮。煤层直接顶多以泥岩为主，岩石单向抗压强度小于50MPa，其下层位常有伪项，或呈复合型顶板。抗压强度低于30MPa，遇水易膨胀变软的泥岩软底板也较普遍。作业过程中，当对厚煤层分层开采时，工作面以煤为底板者，工作面支柱钻底深度达0.51.1m，工作面特征属于典型的“三软”煤层。该地区二。煤层底板起伏变化大，煤层厚度极不稳定，且常有不可采的区段出现，煤层厚度变异系数一般在0.7以下。虽然其可采系数可达0.88，煤层分布面积广，大部分可采，但厚度沿走向方向和倾斜方向的变化可在

11、012m之间，这一点和盘江17煤层极其相似。在陕渑西部煤田开采时，过去常采用分层开采，“滚帮式”非正规采煤法和炮采放顶煤等采煤方法，其单产、回采率和工作效率都很低，无法达到较好的经济效益。经过多年的探索和实验，豫西地区各矿井逐渐形成了适合所开采煤层条件的采煤方法，现多以滑移顶梁炮采或机采放顶煤开采和综采放顶煤开采为主。另外，国内外“三软”煤层开采的成功例子不胜枚举，比如山东龙1：3矿务局、徐州矿务局等属下的龙口矿、旗山矿等都通过详细的设计和实验实现其井田范围内软煤层的合理开采。无论国内或是国外，针对各自的开采煤层均形成了有效的开采方法和回采工艺，尽管这些方法不尽相同，但在不同的适用范围内皆体现

12、了对“三软”煤层开采的不俗功效。1.2.2 “三软”煤层采场项板控制技术方面1)采场项板岩层运动规律采场内的一切矿压显现都要受到老顶活动规律的影响。长期以来，人们一直在讨论采场上覆岩层可能形成的结构，因为它直接涉及采场岩层控制的基本问题，如采场事故形成的原因、顶板压力的来源、采场支护原理及各项参数的确定、顶板来压的产生等。关于采场上覆岩层可能形成的结构，自20世纪20年代以来就以各种假说形式被提出来，用以解释各种矿山压力现象，其中有代表性的假说有压力拱假说、悬臂梁假说、铰接岩块假说和预成裂隙假说。早期矿压研究者提出顶板的结构是以“拱”结构为主的。其代表人物是前苏联工程师巾许普鲁特【51】。他认

13、为，采场在一个“前脚在煤壁、后脚在采空区”的“拱”的保护之下。这种观点解释了两个重要的矿压现象；一是支架承受上覆岩层的范围是有限的；=是煤壁上和采空区矸石上将形成较大的支承压力，其来源即控顶区上方的岩重。由于“拱”结构难以解释采场周期来压等现象，现场也难以找到定量描述拱结构的参数，所以“拱”假说只停留在对一些矿压现象的一般解释的水平上，不能很好地应用于实际，为生产服务，因此，诞生了以TH库茨佐涅夫为代表的铰接岩块学说，这是定量地研究矿压现象的一重大突破。库氏认为，需要控制的顶板由冒落带和其上的铰接岩梁组成。冒落带给予支架的是“给定载荷”，它的作用力必须由支架全部承担。而铰接岩块在水平推力的作用

14、下，构成一个梁式的平衡结构，这个结构与支架之间存在“给定变形”的关系。库氏还提出了岩层垮落与否的判别公式。库氏理论的重大贡献在于，它不仅解释了“拱”假说所能解释的矿压现象，而且解释了采场周期来压现象，第一次提出了预计直接顶的公式，并从控制顶板的角度出发，揭示了支架载荷的来源、顶板下沉量和顶板运动的关系。这一成果是以后矿压发展的重要基础。然而，库氏理论对形成铰接岩块平衡结构的采场条件以及支架与顶板之间的作用关系研究不够。20世纪60年代初，钱鸣高、李鸿昌就开始研究断裂岩块间的力学关系，在总结铰接岩块假说和预成裂隙假说以及对岩层内部移动进行现场观测的基础上，于70年代末80年代初，钱鸣高等率先建立

15、了采场裂隙带岩体的砌体梁结构模型，从而发展了上述有关假说。它认为老顶由多块断裂后像“砌体粱”一样挤铰而成的结构组成。该学说系统研究了裂隙带岩层形成结构的可能性以及结构的平衡条件。根据砌体梁理论6-91对煤层开采后覆岩移动规律提出了“横三区”、“竖三带”，如图l，即沿工作面推进方向上覆岩层将分别经历煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区，由下而上岩层移动分为冒落带、裂隙带、整体弯曲下沉带。宋振骐院士提出的“传递岩梁”学说认为，在一定采高、推进速度和项板组成的条件下，平衡结构的存在是必然的。因此它看待平衡结构的重点是从结构向煤壁前方和采空区矸石传递力的方面考虑的，显然，这种结构在一般的采场均存在。“传

16、递岩梁”理论还认为，采场支架可以改变铰接岩梁的位态，并以两块模型推导出了位态方程，为支护设计定量化提供了重要思路，其成果也为广大现场所接受。2)采场支承压力分布规律的研究状况以上覆岩层运动为中心”的矿压理论对采场支承压力分布规律的认识为【10】：煤层采出后，在围岩应力重新分布的范围内，作用在煤层、岩层和矸石上的垂直应力称为“支承压力”。在单一自重应力条件下，采场周围岩体上的支承压力来源于岩层的重量。对于不同开采深度和煤层强度条件，采场支承压力分布可能有三种情况。(1)单一弹性分布：其特点是压力高峰在煤壁边缘，随着与煤壁距离的增加按负指数规律递减。(2) 出现塑性区的分布：该分布由塑性区及弹性区两个部分构成。弹性区压力来源于岩层总体重量，塑性区压力主要由临近采场的岩层运动决定。(3)出现内外应力场的分布：这种分布的主要特点是岩梁深入塑性区断裂，原来完整的应力场以岩梁断裂线为界，明显的分为两