四面采空“孤岛”综放采场矿压 Microsoft Word 文档 (2).doc

四面采空“孤岛”综放采场矿压控制的研究与实践摘要:论文通过理论和实践研究，提出了四面采空“孤岛”采场的顶板结构和相关矿压控制技术。此类采场矿压控制的理论问题，是采场覆岩的多层空间结构运动及其与采动应力场的关系;其工程问题，是煤柱失稳造成的灾害形式及其判定方法、煤柱失稳的灾害的控制技术以及水、火和瓦斯的控制问题。论文通过河南义马煤业集团的实例，系统介绍了灾害监测技术和控制方法。开采结果表明，论文中提出的对岩层结构的认识和采取的控制技术是正确的，可以在条件相似的矿区推广应用。关键词:矿山压力;四面采空“孤岛”;岩层空间结构;综采放顶煤;矿压监测1形成四面采空“孤岛”采场的开采与地质条件 “孤岛”采场一般是指因跳采而留下的上下侧均为采空区的采场(即三面采空)，近年来，因国内大力推广综采放顶煤技术，以及因防水、防冲击地压等原因而留设了大量煤柱，形成了综采放顶煤采场不得不回采上分层停采线附近煤柱或断层、隔离带煤柱的局面，即采场必须回采四面采空的“孤岛”煤柱，否则综放采场将频繁“搬家”。 随着开采深度的不断增加，以及矿井的日益老化，这类采场将越来越多，采深的增加还使四面采空“孤岛”煤柱中的应力激增，高压煤体潜在的冲击地压和软岩快速变形灾害，已经成为四面采空“孤岛”(以下简称四面“孤岛”)采场安全开采的主要障碍，也是矿压控制的重点和难点 2四面“孤岛”开采矿压控制的理论与工程问题2. 1四面“孤岛”开采矿压控制的理论问题 此类采场最大的安全威胁是:覆岩运动造成“孤岛”煤柱突然破裂而发生冲击地压;煤柱逐渐破裂之后快速变形，挤出的煤体封堵两巷;当煤柱变小和采场推过煤柱后，覆岩结构的突然失稳造成支架的冲击载荷，以及大面积片帮“压死”运输机。 由此可见，解决此问题的理论难点是:四面“孤岛”采场覆岩的多层空间结构运动及其与采动应力场的关系2-3。 根据笔者在河南义马和山东兖矿集团的研究结果，决定四面“孤岛”采场矿压显现的主要因素，是环绕“孤岛”煤柱的覆岩多层空间结构的运动，其平面投影如图2 (a)所示。图中的椭圆线表示空间结构的触矸线。该结构与煤柱的作用关系可近似用图2(b), (c)的模型表示。图2 (b)表示煤柱变小时，覆岩多层空间结构与煤柱的作用关系，其中，E表示煤体，P表示覆岩多层空间结构上位岩层的作用力，煤体上方的弧线表示多层空间结构轴力的轨迹线。称之为“中间有支撑”型空间结构。图2 (c)表示煤柱完全采出后覆岩空间结构的状况。此时空间结构已经失去支撑，空间结构的自身平衡能力，决定了采场矿压显现的规律。当煤柱两侧分别为分层开采和放顶煤开采采场时，两侧的空间结构将呈“不等高”状况。2.2四面“孤岛”开采矿压控制的工程问题 (1)煤柱失稳造成的灾害形式及其判定方法。 随采场推进，煤柱越来越小，此时煤柱是以冲击形式还是以快速变形形式破坏，以及如何在工程中准确判定，是保障采场安全的第一个关键工程问题。 (2)煤柱失稳灾害的控制技术。 如何针对灾害的形式和程度，采取有效的技术措施控制灾害，是保障采场安全的第二个关键工程问题。具体来讲，就是冲击地压、巷道围岩快速移近和采场煤壁大面积片帮的控制技术。 (3)其它灾害控制。 四面“孤岛”形成一段时间后，四周采空区内可能积聚水和瓦斯，尤其是当煤体被压裂后长期处于通风供氧状态，很可能发生煤炭自燃，因此，过煤柱前对这些灾害的探测与预处理，是保障采场安全的第三个关键工程问题。 3四面“孤岛”开采的矿压控制技术3. 1理论上对四面“孤岛”采场顶板结构运动的基本认识 由于“孤岛”四周是采空区，且有一面是正在开采的采场，因此，“孤岛”边缘的覆岩中，有常规的直接顶和老顶，分属各自的“边”。老顶之上的岩层则形成了空间结构，以“四周一体”的方式运动。图3是综放采场过分层采场停采线煤柱时的覆岩结构剖面示意图。“ 关于空间结构稳定性分析及其与放出率、岩层几何力学参数的关系，已经另文发表。3.2四面“孤岛”采场的矿压控制实践 本节以河南义马煤业集团某综放采场穿越巨厚砾岩下高压煤柱为例，阐述四面“孤岛”开采的矿压控制技术。 采场的基本条件 该采场倾斜长度223 m，走向长度1460 m，其中自切眼开始580 m为顶分层未采区，外段880 m为顶分层已采区，工作面上、下侧均为采空区，上下巷均采用留小煤柱沿空掘巷和锚网架联合支护，其中上巷侧煤柱宽度为4-5 m，下巷侧煤柱宽度为6-7 m。煤层平均厚度9.5 m，其中采高2.5 m，顶煤厚7m。倾角平均12，煤层上的岩层依次为:粗砂岩10.5 m,中砂岩6.76 m、粉砂岩8.41 m、煤线0.04 m、泥岩15.67m、煤线0.52 m、砂岩互层26 m。再往上为多组厚层砾岩。 采场矿压控制的总体方案 (1)在理论上预计岩层结构及其运动规律，并预计矿压显现规律4-6 (2)制定矿压监测方案:a)采用钻孔应力计监测煤柱内的应力状态，从而判断和预报煤体是发生冲击破坏还是快速变形，并制定相应的应对措施;b)监测采场支架压力从而监控采场内的安全状况;c)监测顺槽围岩变形规律，从而确定支护方式和加固、翻修的时间、地点和程度。 (3)制定了水、火、瓦斯的防治预案。 (4)改变工艺参数以适应岩层运动和压力显现，如:适时降低顶煤回收率和切割高度，减小岩层运动的范围，从而减弱矿压显现程度;改变作业程序，加快推进速度;调整工作面推进方向，人为造成煤壁的“分段来压”;进入煤柱区前，提前调整和维护好采煤机、运输机、转载机、皮带机、泵站等设备，确保快速推进;加强两巷和端头支护，按要求开掘安全通道等。 实施后取得的主要结果 (1)煤柱破坏形式的判定 图4是距离分层采场停采线46 m (#5点)和52m ( #6点)处煤体深部20 m处钻孔应力计的曲线图。由图中可以看出，5月1日起，应力值开始急剧下降，说明煤体开始破裂，此时煤柱的宽度为92 m, #5点和#6点分别距离综放面46 m和40 m。依此可以判定，煤柱将以快速变形的方式破坏。 (2)依据巷道的变形速度确定翻修的方案 根据矿压观测结果确定扩修时间间隔，以满足安全生产需要和最少投入为原则。大致规律是:以两帮移近0.7 m为临界值，距离分层采场停采线300 m以外的巷道，扩修间隔为6090 d; 300200 m以内的巷道为40-60 d; 200m-100 m以内的巷道为30-40 d .100 m以内的巷道则采取构筑安全通道、加强支护等措施保障安全。大部分地段实现了一次扩修到位的目标。 (3)穿越煤柱地段构筑安全通道 随着煤柱尺寸的逐渐减小，两巷变形速度将急剧增加并有因煤炮引发煤体突出堵塞巷道的危险。根据矿压观测结果，从煤柱宽度为60 m起，到分层采场停采线，在两巷中构筑安全通道。安全通道尺寸与支护方式为:两巷的安全均设在巷道下邦，通道宽1.0 m,高2.8 m，顶帮均采用锚网并用单体液压支柱配合金属顶梁支护。 (4)采用快速可靠的加固和封堵材料 采场临近高压区时，区段小煤柱破裂严重，两个端头压力很大，为了确保安全，选择了注射“马丽散”加固煤体的方案。“马丽散”是一种低粘度、双组分合成高分子一聚亚胺胶脂材料，能很好地渗入细小的裂缝中，有极好的粘合能力和良好的韧性，可与水反应并封闭水流。注浆加固完成后，经受了采煤工作面超前压力的剧烈影响，巷道变形明显减小，转载机顺利通过加固段，施工效果基本达到要求。上下巷防灭火、防瓦斯工程中，下巷注射了“罗克休”。“罗克休”产品是由两种成分组成的注射产品，用于充填、密闭、防火和加固地层。由于顶煤破碎，普通钻孔存在塌孔问题，所以采用了特制的自带钻头的注浆麻花空心管，顺利解决了塌孔问题，使注浆得以顺利实施。为防止漏浆，在顶板上铺设了彩条布。“罗克休”充填后，破碎顶煤得到加固，为补打锚杆创造了条件，其综合效果使得巷道变形明显减小，维护状况得到明显改善。充填后，且直到回采结束，试验段巷道没有出现自然发火征兆。试验基本达到预期目标。 通过上述综合技术方案，采场安全采过了高压煤柱。4结论 (1)四面采空“孤岛”采场越来越成为深部和老矿井的重大安全隐患，专题研究这类采场的矿压控制问题具有重要的理论和实用价值，提出了三种典型的四面采空“孤岛”的开采地质条件。 (2)将四面采空“孤岛”采场覆岩视为多层空间结构，有助于正确认识岩层运动规律及其与采动应力场的关系，在理论上作出合理的分析。 (3)制定并实施了采场矿