某矿水力采煤矿压显现的有关特点及规律

沈健

（贵州省水城县煤碳管理局，贵州 水城 553040）

1 水力采煤矿生产实践中矿压显现分析

1.1 浅部矿压显现

煤矿1996年开采第一水平时,曾对顶板压力进行过观测。其回采巷道在工作面采动影响下的顶板活动范围。煤层沿走向的顶板活动范围为70m左右,其观测区的开采深度是在垂深120～130m处。

1.2 随着开采深度增加,矿压显现情况

1993年投产时在-120m水平生产,最大开采垂深只有140m左右。此时矿压显现不明显,基本上不是影响生产的主要因素。只是在采区结束时回收采区上山煤柱时才显现出集中压力。有时还希望利用矿压来松动煤体,增加落煤量,这时采区巷道的维修量很小。-200m水平投产采深加深达到185m左右,矿压显现与-120m相差不多,只是在开采断层带附近的煤时矿压有较大的显现。

在该地带掘进煤巷时会出现少量的煤炮,巷道支架折损量有所增加,有时因矿压大而压垮煤巷,影响正常生产。但在跨巷道采煤时,设在煤层底板下8～10m的岩巷,仍能保持其巷道的完整性。1998年-340m水平投产,最大开采深度达370m,在这个水平开采比较深的区域,矿压显现增加,表现在煤巷掘进和采煤过程中煤炮明显增加,有时直接影响安全生产。八号采区、-440采区投产后,随着深部地区的开采,地压比-340m水平又有所增加。2000年-560m水平投产后,开采区域垂深在500m左右时煤炮、矿压显著加剧。往往由于采场应力集中造成煤巷掘进施工很困难,有时出现随掘随压垮,头冒顶频繁。沿煤层底板掘进的煤巷中,在5～6m厚的煤层中掘进时出现冒顶,一直冒至顶板岩石。泥岩的伪顶、直接顶有时也随之冒落,这种现象经常发生,直接影响安全生产。个别时候以致造成减产或停产。当跨巷采煤时,在煤层底板以下10～40m的岩巷,不论使用金属棚或是砌碹巷道都有被压垮的可能。

2 采掘过程中的矿压显现

2.1 采煤面的矿压显现

在深部开采时,有时利用采场顶板压力达到松动煤体增加小时落煤量。而到-340m水平以下时,矿压显现与浅部开采时不同。在采动影响区掘进水采回采巷道时,常出现如图1所示的矿压显现。当掘进至距离采空区停采线20～30m时,矿压显现加剧,有时沿底板掘进的煤巷发生严重冒顶。甚至将5～6m厚的煤一直冒至顶板。一旦穿过几米冒顶区后矿压又减小,有时压力显现不明显;有时能在坚硬煤体中发现有0～10mm宽的煤体裂缝。我们认为这是由于顶板来压过程中蓄能受压缩后的煤体向采空区的自由面方向推移,使煤体发生位移的结果,并伴随着有定量的下沉后使顶板压力减小。在离采空区停采线20～30m处为集中增压区,蓄积着相当大的弹性变形能,使煤被压松散。它的压力达到了煤的强度极限,当一遇暴露自由面,就开始卸压,在卸压同时产生煤炮,并发生“抛射性冒顶”。同时因顶板岩石达到临界强度,并发生脆性破碎,所以冒顶连续发生,集中压力在该处显现。从30m以后是被压缩区,它蓄聚着部分引力。在厚沙岩顶板开采时,当采空面积达200～300m2时,顶板一次性冒落,形成部分岩体空间,而由冒落的大片岩石顶板又扑压采空区的空气,压缩空间的空气,并把大量的空气挤出采空区。这时产生“刮风”,有时连水带煤浆高速吹出,随之大风有时能把人吹倒,或把安全帽吹掉。采煤面的矿压显现,主要表现在支架折损上,表现在侧压力大,两帮的支架折损率最高。维修难度大,这时使用U型钢支护也困难,特别是受压后回收非常困难。

2.2 煤层底板内岩巷因采动影响而出现的矿压显现

煤矿的主要溜煤巷道和运输大巷大部分布置在煤层以下8～40m的底板岩层内。在-200m水平以上(垂深约260m)有很多跨大巷采煤实例,其跨巷采煤而压坏巷道的次数不多。当开采深度加深至-340、-560、-600m水平(垂深 400～600m)进行跨采时,位于煤层以下4～12m的底板岩巷基本上都会被压垮。在煤层以下更深的巷道基本上也受压变形。如-340m北大巷位于煤层下20～45m,经过802回采工作面跨采后巷道全长700m,几乎全被压垮。

2.3 巷道掘进时的矿压显现

2.3.1 “抛射”冒顶

在矿井深部岩巷掘进时,当掘进至接近见煤(4～6m)时,就发生有煤炮现象。见煤后容易出现煤层的“抛射”冒顶,在冒顶过程中伴有煤炮,在煤厚6～8m的煤层下掘进常出现冒落煤层全厚后又冒落顶板岩石。而且所冒落的煤岩量相当大,冒空区成漏斗形。

2.3.2 煤炮形式

我们认为煤炮是因为岩体发生相对运动而产生的,有时是在应力释放过程中产生煤炮。如1001回采工作面,初次来压矿压显现时,采空区总面积已达5134万m2,矿压以逐步加剧的形式显现,主要表现在煤炮数量和强度急剧增加。煤炮发生后,预掘的水采回采巷道遭到了严重的破坏,支架断棚率达60%～80%,断面被压缩约1/3。地面出现了18条裂缝:其方向平行于采煤工作面走向,缝宽一般为10～70mm,最宽300mm;分布范围离采空区边缘40～160m;随裂缝出现的塌陷区长约200m,宽近 100m,深 0.71～1.73m。在悬顶冒落和煤被挤压之后,矿压基本上是紧跟回采工作面的推进时隐时现,强度减小、破坏性减弱。还有一种现象,钻孔内放煤炮。

2.3.3 冲击地压

先阐述冲击地压的概念,冲击地压有几种说法:

1)冲击地压是岩体突然破碎现象,表现为采场或巷道周围岩体的突然冒落、片帮和底鼓;深部岩体突然破裂;断层二盘岩体相对位移;煤岩和瓦斯突然抛出等。有些学者把煤岩和瓦斯突然抛出单独列为“突出”。在岩体破碎同时往往还伴随着声响、气浪和震动等。

2)真正的冲击地压是煤柱或部分煤(岩)的快速破碎,表现为大量的煤(岩)向井下巷道抛出,并使支架破坏,机械、设备、装置等移动。冲击伴随有强烈的声响,形成大量的粉尘、空气波和岩体震动。这种震动在地面直径5～10km范围内一般能感觉到,在距冲击源数十甚至数百公里距离,拾震仪记录到震动。还有其他的说法,总的特点是:突然和快速、破坏性大、来势猛。

水力采煤,由于它的特点是采煤面的推进不规整,不是和长壁采煤面一样形成一条直线,而是形成凹凸不直的采煤面,甚至是有好几个小半岛区组成,还有在采空区因回采丢煤,有时存在一些局部煤垛,而起支撑作用,延缓了大面积顶板的冒落、卸压;还有因开采的停采线的不同而经常形成半岛区 (局部煤垛形成半岛形式深入采空区),形成应力集中点等原因,所以它的冲击倾向性是大于正规的长壁采煤工作面的。煤矿的冲击矿压形式有以下几种：a.在厚层砂岩顶板条件下 (30～55mm左右),采空面积到一定范围后,产生冲击形式;b.煤层不厚,顶板坚硬情况下产生冲击形式;c.相向采煤,最后开采煤柱时产生冲击形式;d.在半岛区掘进至采空区15～30m处时有冲击形式出现;e.在第一次大面积落顶时产生冲击形式,大型煤炮时产生粉尘,这时灯光透明度很低,可使对面看不清人,小块煤在巷道内尤如下雨。

3 有关问题的分析

采用水力采煤方法发生的矿压显现与其采煤方法的特殊性有关。这种采煤方法对矿压来说,有其有利方面,也有其不利方面。它的有利条件是所有采煤工作的工作人员及设备,都在比较小空间的巷道内,它不和长壁工作面一样要又长又大的空间;落煤的空间是采用无支护控顶,任其自然冒落;采煤的场地,是利用水的射流进行的,它不怕冒落的东西砸;所有的水枪及操作人员是在小断面的巷道内,总的顶板事故比较少,所以水力采煤方法其安全性整体来说较好。但是水力采煤方法给冲击地压的形成也创造了一定的条件,特别是在坚硬顶板条件下,是比较明显的(陶庄矿、矿都有过),矿为了减小冲击地压甚至采用过预掘卸压巷道。

3.1 提前在应力集中区预掘巷道,从表面上看,矿压大、维修量大,但实际上对削弱冲击地压的冲击强度起到了很好的缓解作用。因为这些已掘的巷道,在应力作用下使巷道之间的煤垛发生变形、推移、破坏,应力曲线随巷道的多少而内移,在煤壁破坏的情况下,大型的冲击倾向性就缩小,在曲线移动过程中出现煤炮,在矿压作用下煤垛失去弹性能并大量释放。如果巷道少,煤壁不被破坏,从表面看矿压不大,实体煤中的能量大量积蓄,一旦到极限,会瞬间爆发,顶板和煤体的冲击速率猛烈,这就增大了灾害的危险性。

3.2 得到大直径钻孔卸压的启发,既然大直径钻孔能卸压,那么多掘巷道更能卸压,提前掘进后使大片煤体不能积蓄大量的弹性能,大型冲击倾向就小得多。

3.3 除采取多巷道卸压外,还应严格遵循其它公认的预防措施。另外,对于水力采煤巷道布置,其分段上山宜采用伪倾斜布置;各回采巷道间严格开采顺序;回采工作面的停采线应与巷道成钝角。

4 特点和问题

4.1 特点

水采矿压与它的独有的采煤方法直接有关,其矿压显现与一般的旱采长壁工作面矿压显现不同,在同样煤岩层条件下,水采工作面矿压比旱采长壁工作面矿压大,其特点有以下几方面:

1)水采工作面不管是走向短壁还是倾斜短壁采煤方法,总是在实体煤垛内掘很多巷道才能开采。因而使煤体在一定范围内减少了弹性能的积蓄,减弱了煤体自身的抗压能力,故表现矿压较大

2)开采过程中不使用支护手段来控制顶板,而由煤体支撑顶板,不是人为地用支柱加以平衡

3)放顶不规则,不能及时卸压。水采的短壁工作面的停采线,由于配采和开采顺序有超前或滞后的不正规性,因而采空区不能形成直线切顶线,有时只是自由冒落成台阶形或其它不规则形状,加剧了矿压显现

4)水采一次采全高。3～8m厚的煤层一次采出造成采空的空间大,一次性顶板下沉量和活动范围大,往往由于采高的增加,增大了采空区冒顶的动能、造成上覆层岩层运动加剧,波及范围扩大

5)规律性不明显。如初次来压、周期来压等,均无一定的规律

6)煤炭资源回收不均匀。而且在采空区内有不规则的丢煤,造成支撑性煤柱,影响采空区放顶卸压。因此顶板下沉量可能比旱采小,象1001回采工作面最大下沉系数是0.41,小于一般旱采的0.6～0.8倍。

4.2 问题

4.2.1 在开采浅部硬煤层时,为了增加小时落煤量,可以适当缩小回采巷道之间的错距,并可减小煤垛尺寸,搞小范围的相向采煤,以增加矿压、松动煤体、增加小时落煤量。

4.2.2 开采一定范围后,为了防止冲击地压,必须禁止相向采煤,并各回采巷道间的错距必须保持一致,以便给落顶煤创造一直线的(切顶线)条件。

4.2.3 采面的分段上山或各小区段的上山,最好布置成伪倾斜上山,这样形成停采的钝角线,减小落顶煤与煤垛形成的锐角,减小半岛的尖形区,以利减小冲击倾向性。

4.2.4 要适当地投入部分矿压观测经费,并加强改进支护方面的手段。以达到合理支护和维修、既保安全、又不浪费的科学管理的目的。

5 结束语

由于煤层比较厚,深部开采时矿压比较大,至今尚未有好的支护方式来代替现用的木支护。前面已述多巷道卸压是防治冲击地压有效方法之一,但其矿压产生后的维修量是比较大的。

[1]施式亮,王海桥.矿井安全非线性动力学评价[M].

[2]许满贵.煤矿动态综合安全评价模式及应用研究[J].