浅埋煤层长壁开采压架灾害机理与类型

浅埋煤层长壁开采压架灾害机理与类型

神东矿区位于蒙古国、陕西省和山西省交界处的神福以东，这是中国典型的浅埋煤层矿床。煤层为浅埋，倾角小，地质结构简单，煤质良好。这是矿区煤层分配的典型特征。近年来,随着设备配套和开采效率的不断提高,该矿区已成为我国重要的新型煤炭生产基地和亿吨级生产矿区;回采工作面支架的阻力水平也逐年攀升,目前已达到18000kN的国际领先水平(支护强度1.52MPa)。然而,就在这种先进的生产装备和简单的地质开采条件下,仍发生了多起支架活柱在短时间内急剧下缩的压架现象,严重威胁作业人员和设备的安全。据不完全统计(表1),自2007年以来,该矿区(特指神东煤炭集团)已累计发生各类严重压架事故12起已有研究结果表明1覆岩关键层结构失稳引发矿压现存神东矿区浅埋煤层工作面开采宽度(300m左右)一般大于煤层埋深,其采动覆岩只有关键层结构而不存在压力拱结构,工作面的矿压显现主要由覆岩关键层结构控制。所以,掌握浅埋煤层覆岩关键层的结构类型及其失稳特征,是揭示表1所述各类压架灾害发生机理的基础。根据浅埋煤层覆岩中关键层的组合关系,可将浅埋煤层覆岩关键层结构划分为如图1所示的2类4种复合单一关键层结构是指浅埋煤层基岩中存在2层或2层以上的硬岩层,由于基岩上覆载荷较大(如地表风积沙厚度较大时),导致两硬岩层间发生同步破断,从而使得靠近煤层的第1层硬岩层成为基岩中的惟一关键层,即主关键层。由于此类关键层结构中主关键层与其上方多层硬岩层整体复合破断,导致其破断结构常易发生失稳而引起覆岩全厚切落,从而引发工作面强烈的矿压显现。上煤层已采单一关键层结构是指浅埋深相邻两煤层间的岩层中存在1层关键层,在上部煤层开采后,上部煤层覆岩关键层已经破断,开采下部煤层时两相邻煤层间的那层关键层便成为覆岩主关键层,从而形成上煤层已采单一关键层结构。下煤层开采时矿压显现的强烈程度受上煤层覆岩关键层结构稳定状态的影响;上煤层开采后上覆关键层结构的失稳常易造成煤层间单一关键层结构的破断失稳,最终引起工作面强烈的矿压显现。目前,神东矿区各大矿井已相继进入下部第2层主采煤层的开采,上下煤层间岩层厚度较小且普遍仅存在1层关键层,属典型的上煤层已采单一关键层结构。多层关键层结构是指开采煤层上方存在多层关键层,有亚关键层和主关键层。对于采深较大,基岩较厚的煤层,覆岩关键层结构一般为多层关键层结构。由于覆岩中存在多层关键层结构的承载保护作用,因此,该类关键层结构条件下,工作面矿压显现一般较缓和。由上述浅埋煤层覆岩关键层结构分类及其失稳特征的分析可见,复合单一关键层结构和上煤层已采单一关键层结构这2种覆岩结构,是容易出现工作面压架等剧烈来压现象的地质开采条件。2厚砂复合构建层的结构失稳及压架结构2.1压架案例1203工作面是大柳塔煤矿正式投产的第1个综采工作面。开采12.2复合单一关键层结构的确定通过对工作面覆岩柱状进行关键层位置判别后发现(图2),虽然基岩内存在2层硬岩层,但由于上覆厚风积沙的载荷传递作用,导致硬岩层2的破断步距小于下部硬岩层1,从而最终判别出覆岩中仅有1层关键层,即厚2.2m的粉砂岩为主关键层,为前述的复合单一关键层结构。因此,覆岩中硬岩层1与硬岩层2将发生复合同步破断,从而引起覆岩的全厚切落,当支架阻力不足时,将造成压架事故的发生。为验证风积沙厚度对覆岩关键层结构及其破断特征的影响,在岩层破断角与松散层载荷传递系数保持不变的条件下,将风积沙厚度由27m减至23m,对应覆岩关键层判别结果3谷坡上层关键结构失稳压力架结构3.1地面地面裂缝与地面采空场神东矿区活鸡兔井三盘区主采112304综采工作面在过沟谷地形期间曾发生2次压架现象,第1次压架发生在过沟谷地形上坡段中部,36~78号支架间片帮达1~2m,架前漏顶高度达1.5~2.0m,10min内将刮板运输机溜槽填满,部分支架活柱下缩量达200mm,支架安全阀开启频繁;与工作面平行的地面裂缝贯穿整个上坡段山体,地面裂缝最大张开度达1.2m,最大台阶下沉量达1.0m以上。第2次压架发生在过沟谷地形上坡段坡顶,工作面46~66号支架顶板切顶最为严重,支架活柱下缩量达420mm,地面地堑宽度有4~5m,台阶下沉1~2m,如图4所示。3.2关键层结构失稳从工作面对应地表的地形分布可知,沟谷落差53.7~62.8m;而根据工作面H74钻孔柱状的揭示情况(图5),覆岩主关键层距离地表仅30.86m,主关键层位置明显高于沟谷谷底标高,这表明工作面在沟谷地形区域的主关键层因受冲刷侵蚀而缺失。所以当工作面开采1当下煤层再次开采至沟谷地形上坡段时,由于失稳的主关键层破断块体结构将其承载载荷传递于下部单一关键层结构之上,易导致关键层破断块体出现滑落失稳,如图6所示。而若覆岩主关键层未受沟谷侵蚀,则其破断块体受侧向水平挤压力的作用将可形成稳定的“砌体梁”结构,从而将上覆岩体中的部分载荷传递于采空区和前方的实体煤,减少了作用于下部单一关键层结构上的载荷,工作面一般不会发生压架。上述理论分析结果也得到了物理模拟和数值模拟实验结果的验证3.3压架和支护质量监测过沟谷地形上坡段发生压架的先决条件是沟谷段覆岩主关键层缺失。因此,可以通过判别沟谷段覆岩主关键层是否缺失来预测存在压架危险的沟谷。还可以通过事前先对地面裂缝进行实地勘察,若在过沟谷地形上坡段发现存在地面台阶下沉,说明此区域在上煤层采后已导致主关键层破断块体出现滑落失稳,在开采下煤层时过沟谷上坡段发生压架的可能性大,应在井下工作面两侧平巷对应危险区域作出醒目标注。同时,在实际开采过程中,可通过详细的周期来压规律分析,进行周期来压位置的动态预测;做好支护质量监测,在有压架危险的地段进行加强支护。提高支架工作阻力是降低工作面压架灾害强烈程度的有效措施,但支架阻力需提升至何值仍需根据压架灾害的发生机理进行确定,即应保证覆岩关键层结构不发生失稳。由此根据上述活鸡兔井14工作面顶板集中煤柱关键层结构的不稳定型和压架结构的机理4.1工作面压架情况受上煤层开采遗留煤柱的影响,神东矿区多个矿井在下煤层工作面采出上覆煤柱的过程出现了支架活柱急剧大幅下缩的压架现象,严重影响着矿井的安全高效生产(表1)。统计结果显示,此类压架普遍出现在工作面采出上覆煤柱边界前后5m左右的范围内,而在进入煤柱的开采过程中一般无压架现象。限于篇幅,本节同样以活鸡兔井12304工作面为例进行压架情况的具体介绍。当工作面推进至距离采出上覆煤柱边界还有3.4m时(图7),中部63~105号支架强烈来压,安全阀开启喷液,煤壁片帮宽度达1.1m,架前冒矸高度达1.2m,支架活柱急剧下缩量达1200mm,部分支架被压死,直接导致工作面停产2d,压架照片如图8所示。4.2铰式异形铰接构造基层矿压面随着工作面逐渐向上覆集中煤柱边界推进,煤柱上方关键层将逐步发生周期破断回转运动,岩块之间相互铰接,最终会在出煤柱边界形成如图9(a)所示的三铰式拱形铰接结构,此结构两侧的C,D块体便是控制工作面矿压显现的关键块体。根据前苏联学者库兹涅佐夫提出的铰接岩块假说4.3工作面布置优化与前述沟谷地形上坡段的压架类似,此类压架灾害的防治也应首先从提高支架工作阻力着手。然而,结合图9(c)的力学模型计算后发现,在浅埋近距离煤层开采条件下,采出上覆煤柱时顶板的切落是必然的,其传递下来的载荷也是让支架难以承担的(1)优化开采设计。近距离煤层开采设计时,应探明上煤层开采遗留集中煤柱的分布情况,再根据分布情况优化下煤层工作面的布置设计,使其尽量避免发生采出上覆集中煤柱的开采情形。可从优化工作面的推进方向,或优化开切眼和终采线的布置入手。即将工作面推进方向与煤柱走向平行或呈一定夹角,或将工作面布置在上覆集中煤柱分布范围之外。(2)实施采前预防措施。若工作面的布置设计无法避免采出上覆集中煤柱的开采时,则应在工作面开采前采取相关措施进行预防(3)采时跟踪防范。在工作面临近采出上覆集中煤柱的过程中,通过采取保证足够的采高、加强支护质量监测和来压预测预报、调斜开采与加快推进速度等实时防范措施,最大限度地减缓顶板的下沉,保证支架活柱有足够的行程,从而减小压架的危害程度,保证工作面的正常回采。实际上,除上述案例中工作面采出上覆两侧采空煤柱的压架外,在现场开采实践中还发现,当下煤层开切眼布置在上覆一侧采空煤柱下方时,也会出现工作面采出上覆煤柱时的压架现象(表1中石圪台煤矿3个工作面),且开切眼布置位置的不同将直接影响压架发生的强烈程度,具体可参见文献[4]。5在上部空间开采柱下，重要层结构的失稳定和压架结构的机理5.1压架事故造成的影响31201工作面是石圪台煤矿3该工作面在上覆房采煤柱下开采时,累计发生了9次支架活柱急剧大幅下缩的压架现象,给工作面的安全高效生产带来了严重的影响。其中,最为严重的是2013-12-16夜班发生的一次压架事故。当时工作面采高整体处于3.8~4.1m,刚割第1刀煤时,工作面即出现顶板来压,在20s左右时间内23~135号支架整体下沉,活柱行程由1.3~1.5m下沉到0~0.2m,并导致采煤机被压死,大量支架立柱从导向套脱离、立柱密封圈损坏(图11)。事故发生后用于维修和处理压死支架花费近60d,直接经济损失近亿元。5.2上覆房采煤柱局部失稳引起压架的发生上覆房采煤柱的稳定性直接关系到覆岩破断结构的运动状态,影响着下煤层工作面的矿压显现;而这些煤柱何时发生失稳,以及是否发生失稳主要存在4种情况:(1)下煤层开采前上覆房采煤柱已发生失稳,这种情况等同于上覆全部垮落老采空区下的开采,矿压显现将趋于缓和。(2)下煤层开采过程中上覆房采煤柱一直处于稳定状态,这种情况将类似于单一煤层的初次采动,矿压显现也趋于缓和。(3)下煤层开采过程中上覆房采煤柱发生大面积“多米诺”骨牌式的连锁失稳,极易造成下煤层冲击载荷的发生,但从神东矿区的开采实践看,这种情况并不多见。(4)下煤层开采过程中上覆房采煤柱超前工作面发生局部失稳,这种情况将造成覆岩关键层结构破断形式及其稳定性的改变,从而引起压架的发生(图12)。随着工作面的不断推进,作用于煤壁前方的超前支承压力也不断加大并作用于上覆遗留的房采煤柱上(图12(a))。前方房采煤柱的留设尺寸较小时,工作面前方部分房采煤柱将因承载能力不足而发生超前失稳,从而造成上方关键层的超前破断,形成块体I(图12(b));同时,工作面上方的破断块体G将随块体I一并发生反向回转;若块体G下部的房采煤柱仍处于稳定承载状态,则块体G,I的反向回转运动将直接造成上覆载荷施加到煤层间块体H的铰接结构上,使得H块体结构的载荷过大而滑落失稳,最终引起压架的发生。若此时块体G下部的房采煤柱已经失稳,则上覆载荷将无法通过煤柱传递至块体H上,难以出现块体H结构的滑落失稳和压架。也就是说,在上覆房采煤柱下开采时,只有当工作面超前一定范围的房采煤柱发生失稳,而工作面控顶区及采空区一定范围的房采煤柱未发生失稳时,才可能出现煤层间关键层结构滑落失稳引发的压架事故。5.3上覆房采煤柱提前爆破与前述工作面采出上覆集中煤柱时的压架灾害类似,此类压架灾害依然无法单纯利用提高支架工作阻力进行防范。31201工作面在支架阻力高达18000kN、支护强度达1.52MPa的条件下仍发生了如此严重的压架事故,这证明支架阻力在控制此类压架灾害上的有限性。因此,针对此类压架灾害,同样应从其发生机理的角度进行防范和控制。鉴于上覆房采煤柱的超前失稳是导致压架灾害发生的根源,因此可在下煤层开采前,从井下或地面对上覆房采煤柱提前实施爆破弱化措施;或者在顶板即将来压时,适当放慢开采速度,甚至可停采1~2个班,以充分利用支承压力的作用使得上覆房采煤柱提前发生失稳破坏,使得上覆关键层破断块体I提前破断后的反向回转运动仅作用于工作面前方煤岩体上,从而可减轻压架的危险。同时,在工作面开采过程中,应尽量提高采高,使得支架活柱有足够的行程,避免支架被压死而造成停产。此外,除了上述4种类型的压架灾害,神东矿区浅埋煤层开采还存在特大采高条件下的压架灾害。如大柳塔煤矿5当然,不管上述何种类型的压架灾害,它们的发生都会受到许多因素的控制和影响作用(如煤层埋深、采高、煤层间距、覆岩结构特征等),每种类型压架灾害也必然存在一定的发生条件;研究各类因素对压架灾害的影响规律是确定压架灾害发生条件的关键;限于篇幅,在此不作详细论述。6浅埋煤层开采压架灾害防治对策(1)神东矿区浅埋煤层长壁开采主要存在4种压架类型,分别为厚风积沙复合单一关键层条件下的压架、过沟谷地形上坡段时的压架、采出上覆集中煤柱时的压架、上覆房采煤柱下开采时的压架。随开采煤层逐步向第2层主采煤层转移,主要呈现后3种压架灾害,是制约着矿区安全高效生产的主要因素之一。(2)浅埋煤层开采的4类压架灾害均发生在覆岩单一关键层结构的地