近距离煤层群上行开采矿压多元控制技术

近距离煤层群上行开采矿压多元控制技术作者：智赢论文网日期：2016-9-198:21:08点击：0我国一些矿井受资源枯竭、冲击地压、煤与瓦斯突出、“三下”压煤开采、矿井达产任务等因素的影响，从不同角度都提出了上行开采问题，并针对各自具体情况，开展了相应的研究与试验工作，已积累了大量的成功经验和丰富成果。已有研究和生产实际表明，不同岩性的层间岩层，上行开采需要满足的采动影响倍数不同，就坚硬顶板条件下单一煤层上行开采而言，采动影响倍数应大于8。上行开采只有在满足采动影响倍数的前提下，才能安全正常进行;若采动影响倍数不满足要求，即上行开采面距离下煤层采空区较近(近距离煤层)，上行开采需要采取一定的安全技术措施，才能确保安全开采［1－4］。目前，在坚硬层间岩层近距离煤层群条件下开展的上行开采技术研究和生产实践还较少，未见到公开报道的成功先例。以新疆龟兹矿业西井近距离煤层坚硬层间岩层条件为例，结合上下采面巷道外错布置方式，认为在下部采空区切眼边界及运输巷处的“悬空结构”将给上行工作面的安全回采带来较大的安全隐患。针对该问题开展深入的分析研究，在顶板－煤层－底板“三位一体”多元防治技术为理念的基础上，采用理论分析与数值模拟相结合的方法确定合理技术参数，提出顶板破断、煤层减压、底板注浆充填及工作面推进方式优化相结合的多方位防治措施，进而确保上行开采安全进行。1工作面概况新疆龟兹矿业西井A603工作面煤层厚3．2～5．75m，平均厚度5．0m，采用综放开采技术，全部垮落法管理顶板，回采结束2年多。A603工作面上部的A6－103工作面埋深210～215m，倾向长145m，走向长1000m，煤层倾角5°。A6－103工作面切眼和运输巷布置与上部A603工作面切眼和运输巷呈外错布置，布置示意图如图1。图1上行开采工作面布置示意图A603与A6－103工作面层间距17．1m，层间岩层主要为中砂岩、粗砂岩和砾岩，以中砂岩为主，约占层间岩层厚度的76%～80%，且煤岩试验测定出中砂岩的单轴抗压强度为67．5～105．6MPa，平均单轴抗压强度为91．1MPa，为极坚硬性岩性。在下部A603工作面开采过程中，揭露的顶板完整性好，较难垮落，属坚硬完整难冒顶板。可能存在垮落不实或大空洞存在，尤其是在A603切眼附近。所以，在上部A6－103工作面上行综放开采过程中，会导致层间岩层失稳，从而发生大面积突然垮塌，制约矿井的安全生产。同时A603采空区处在上部工作面周期来压、超前动压、自身煤壁及上覆岩层压力等多重应力的叠加区，从而增加了上行开采的难度。2“三位一体”多元控制技术2．1顶板预裂爆破2．1．1预裂爆破机理由于岩石爆破碎裂是一个极为迅速的过程，使得对其机理的研究至今未形成一套完整准确的理论。但爆破产生的动压“震裂”效应及静压爆生气体的“气楔”作用得到了广泛的认可。超前深孔顶板预裂爆作为一种在顶板岩层内部且无爆破自由面的爆破方式，是通过对煤岩体深部高应力集中区打孔并实施爆破，利用爆破产生的高压冲击波、高温爆轰气体和强力扰动对煤体进行损伤破坏，弱化煤岩力学性质的同时改变高应力区附近的煤岩体结构，使其不具备积聚高应力和储存高弹性变形能量的能力，达到降低应力集中程度，破坏顶板大面积突然垮断造成工作面突然剧烈来压的应力条件和能量传递条件。因此，超前深孔顶板预裂爆破防冲原理的核心在于充分利用爆炸冲击波产生的冲击压缩作用和应力波产生的致裂作用，使顶板产生预裂隙破坏其整体连续性而非崩落，破坏高应力及能量积聚和连续传递的条件，同时随着工作面的推进，使顶板处于超前支承压力及支架初撑力作用下，使得顶板及时垮落［5］。2．1．2顶板预裂爆破方案爆破主要分为面内浅孔爆破、两巷深孔预裂爆破、顶板(顶煤)工艺巷深孔预裂爆破等。鉴于龟兹煤矿顶板－煤层－底板“三位一体”组合结构会造成未充分垮落区域顶板失稳现象，为了减小作用在顶板上的压力，现场采用了预裂爆破手段切断基本顶形成的“悬臂梁”结构的方法，降低岩梁的抗拉强度，人为改变了周期来压步距，从而减小悬臂梁结构在滑移、旋转过程中通过支架传递给底板的动载，进而可以保证工作面安全回采。此次龟兹矿A6－103工作面上行开采顶板预裂爆破当中，设计为两巷深孔预裂爆破和工作面内爆破相结合的方式。2．1．3爆破方案及参数根据A6－103工作面覆岩中关键层为其上方20m处的粗砂岩，故本次预裂爆破的对象也是该关键层。结合现场实际，确定采用药卷直径60mm，炮孔直径75mm，药包规格为60mm×580mm，选择二级煤矿许用乳化炸药。2．2工作面推进方式优化A6－103工作面推进方式的调整方法主要是有2种:一是加快工作面推进速度;二是工作面调斜。合理的工作面推进方式可降低工作面超前支承压力峰值，减小工作面围岩变形位移量，有利于采场围岩稳定性控制。根据工作面前方煤体应力的分布规律和变化规律，以及工作面来压步距等情况，采用数值模拟方法，研究不同推进方式下采场围岩应力分布规律，进而确定合理的工作面推进方式。2．2．1工作面不同推进速度的数值模拟模拟工作面以每天2、4、6m推进度，推过下方采空区切眼时采场的应力分布，从中得出加快工作面推进度后，在一定程度上降低了降低了工作面前方超前支承压力峰值的大小［6］。为了进行更好地对比分析，将各模拟结果中工作面前方5m处单元的垂直应力调出，并绘制成曲线图，如图2。从图2可以看出，工作面推进度加快后，工作面前方的超前支承压力有所降低，这就在一定程度上降低了下方采空区切眼处“悬空结构”失稳的可能性。此外从图中还可以看出，4m/d推进度与6m/d推进度的差别不大。工作面以不同推进度推进过程中，下方采空区切眼正上方单元的垂直位移曲线如图3，其可在一定程度上表征下方采空区切眼处悬空块体的位移量［7］。从图3中可以看出工作面加快推进度后，悬空块体的位移量有大幅度降低，此外从图中还可看出4m/d推进度与6m/d推进度的差别不大。综上分析，考虑到现场实施的方便，工作面在过下方采空区切眼期间推进度应调整为4m/d。图2不同推进度时工作面推过下方采空区切眼期间支承压力的分布曲线图图3不同推进度时采空区切眼边界悬空块体位移曲线图2．2．2工作面不同调斜角度的数值模拟不调斜、调斜7．5°和调斜15°应力分布情况如图4，工作面调斜后，在一定程度上降低了工作面前方超前支承压力峰值的大小。工作面调斜后，下巷附近的集中应力有显著降低，在一定程度上降低了下方采空区切眼处“悬空结构”失稳的可能性。此外从图4中还可以看出，工作面调斜7．5°与调斜15°的差别不大。图4工作面推进至下方采空区切眼正上方工作面前方5m垂直应力的分布曲线图工作面以不同调斜角度推进过程中，下方采空区切眼正上方单元的垂直位移曲线如图5，其可在一定程度上表征下方采空区切眼处悬空块体的位移量。从图5可以看出，工作面调斜后，悬空块体的位移量有大幅度降低，尤其是调斜7．5°时，悬空块体的位移量的下降幅度最大。图5不同调斜角度时采空区切眼边界悬空块体位移曲线图工作面以不同调斜角度推进至下方采空区切眼正上方时，下巷煤柱内的垂直应力曲线图如图6。从图6可以看出，工作面调斜后，煤柱内的最大集中应力值有所减小，且集中应力峰值点距煤壁的距离有所增大，这在一定程度上有利于下巷的围岩稳定，尤其是7．5°时，煤柱内集中应力的改善效果最好。综上分析，考虑到现场实施的方便，工作面在过下方采空区切眼期间应调斜成7．5°。图6不同调斜角度时下巷煤柱内垂直应力曲线图2．3底板未完全垮落区域防治技术措施受下部A603工作面老顶周期性断裂的影响，在A603老顶断裂线附近，A6－103及顶板可能随A6煤老顶同时断裂。虽经过压实，但在断裂线附近还会存在一定的弱面甚至是空区。工作面推进至断裂线或其弱面附近时，可能出现台阶下沉现象及突然垮塌，容易造成顶板事故或当工作面顶板出现整体性台阶下沉时压死支架［8］。由采后上覆层间岩层及上部煤层裂隙发育情况与微震预测得出的存在未完全垮落的区域，当预测分析发现有发生突然垮塌可能的情况下，可采取以下技术措施。1)采空区充填。顶板预裂爆破和工作面推进方式优化虽然可在一定程度上降低A6－103工作面回采期间作用在下方采空区切眼处“悬空结构”上的荷载，进而避免该结构的突然失稳，为了保证安全可靠，采取底板注浆充填的措施，防止采动应力超过“悬空结构”失稳临界荷载时发生突然失稳。其作用机理是通过向底板未充分垮落区域内注浆，浆液以填充、渗透和挤密等方式为主，驱走土颗粒间的水分和空气后填充其位置，经过一定时间将垮落的岩石胶结成一个整体，同时充填未垮落岩层下方的空洞空间，从而有效杜绝工作面过下方切眼期间底板突然垮塌的危险发生。2)高压注水。对易垮塌区域打眼注水，钻孔布置在易垮塌区域中心位置，使用锚杆机和直径32mm钻头钻孔，孔深根据区域大小调整，向底板倾斜75°施工。每孔注水2次，注水压力50MPa，注水20min或孔口压力降到20MPa停泵。注水之后需进行及时封孔。3)底板预裂爆破。在易垮塌区域底板实施深孔爆破，改变岩体的物理力学性质，降低岩体内应力集中强度，使岩体内支承压力峰值位置向煤体深部转移，降低工作面开采时发生突然垮塌的危险性。3多元控制技术效果为了检验上述防治技术措施的现场实施效果，同时也为防治技术措施的采取提供相应指导，进而保证A6－103工作面的安全回采，针对A6－103工作面回采过程工作面支架阻力观测、超前支承压力观测及底板沉降观测。将工作面上部、中部以及下部支架增阻速率对应工作面推进时间，可得到上中下部支架来压时间的对应关系，由于现场采取了工作面调斜，工作面上中下部支架在不同的时间通过下部采空区切眼边界。A6－103工作面过切眼期间，没有发生顶底板突然断裂、垮塌、台阶下沉、工作面大面积来压等现象，支架无大面积压坏压死到架状况，采煤机、刮板输送机等没有出现下滑状况。成功降低了工作面过切眼期间集中应力，确保了A6－103工作面安全开采。有效地将工作面进A603切眼过程中的顶板较大来压逐步释放，避免了工作面整体来压而导致的压架甚至底板突然垮落。4结论下煤层采空区切眼边界和下顺槽处的“悬空结构”给上行回采过程中带来安全隐患。龟兹矿通过采用顶板破断、煤层减压、注浆充填及工作面推进方式优化相结合的顶板－煤层－底板“三位一体”多元控制技术措施，取得了良好效果，顺利完成坚硬层间岩层近距离煤层群工作面外错布置的上行开采工作，多回收煤炭500多万t，创造价值上亿元，且具有很好的推广应用价值。参考文献:［1］汪理全，李中颃．煤层群上行开采技术［M］．北京:煤炭工业出版社，1995．［2］马立强，汪理全，张东升，等．近距离煤层群上行开采可行性研究与工程应用［J］．湖南科技大学学报(自然科学版)，2007(4):1－5．［3］韩军，张宏伟，张普田，等．开滦矿区近距离煤层群上行开采可行性研究［J］．煤炭科学技术，2011，39(10):14－17．［4］贺兴元，续文峰．近距离煤层上行开采技术研究与应用［J］．煤矿开采，2006(4):41－43．［5］陈庆凯，朱万成．预裂爆破成缝机理及预裂孔间距的设计方法［J］．东北大学学报(自然科学版)，2011(7):1025－1027．［6］廖学东，黄飞，何廷峻．近距离煤层群上行开采相似材料模拟试验研究［J］．煤炭科学技术，2013，41(2):16－18．［7］张勇，刘传安，张西斌，等．煤层群上行开采对上覆煤层运移的影响［J］．煤炭学报，2011，36(12):1990．［8］马振乾，姜耀东，杨英明，等．芦岭矿近距离煤层重复开采下底板巷道稳定性研究［J］．岩石力学与工程学报，2015(S1):3320－3327．