煤礦采空區頂板防控技術研究

惠興田 王 博

(西安科技大學建筑與土木工程學院,陜西省西安市,710054)

★煤炭科技·開拓與開采 ★

煤礦采空區頂板防控技術研究

惠興田 王 博

(西安科技大學建筑與土木工程學院,陜西省西安市,710054)

提出了通過建立密閉墻和釋放井的方法對采空區進行處理的采空區頂板控制方法,并通過實例介紹了密閉墻結構的確定方法,并對密閉墻進行了受力分析。同時對釋放井的直徑也進行了設計計算。

采空區處理 密閉墻 釋放井 結構設計 布置

AbstractThis paper proposes the erection of sealing walls and pressure releasing shafts as a treatment to underground coal mine gob areas.Through the use of actual cases,the paper presents methods to determine the structure of sealing wall as well as an analysis of the stress situation of the sealing walls when they are exposed to extreme forces.Besides,calculation is also carried out in this paper for the design of the diameters of such releasing shafts.

Key wordsgob area treatment,sealing wall,releasing shaft,structure design,arrangement

我國不少煤礦經多年開采,其采空區存在重大隱患,特別是采用房柱法開采的礦井,當堅硬頂板在長時間的懸空后,隨著煤柱的變形破壞會出現頂板冒落的現象。當冒落的頂板面積較大時,會在巷道中產生破壞性極大的暴風,給礦區的安全生產帶來了嚴重危害。

1 采空區頂板冒落成因

煤礦采空區頂板冒落的現象主要發生在采用房柱法開采并且頂板堅硬完整的回采工作面。冒落現象的產生主要是由兩個因素造成,頂板破壞和煤柱變形。

頂板破壞主要是由于當開采過后,堅硬頂板大面積暴露,頂板在自重的作用下產生彎曲現象,當彎曲應力超過了強度極限時,便會在頂板內出現裂隙,隨著裂隙的增多,最終貫穿頂板,致使頂板突然冒落。

煤柱變形是由于開采后時間較長,煤柱逐漸松動,自身強度降低,當煤柱強度小于其所受頂板應力時,煤柱就會被壓垮。

2 采空區頂板冒落的危害

采空區冒落所產生的破壞可以分為靜態破壞和動態破壞兩種。靜態破壞是指當采空區頂板整體垮落后,巷道體積變壞,進而造成巷道內壓力增高,發生高壓沖擊破壞。動態破壞是指當采空區頂板突然跨落后,由于時間短,會把采空區的空氣瞬間壓出,形成暴風,產生極大破壞力。

我國熊仁欽教授將巷道內空氣假定為理想流體,利用伯努利方程推導出暴風產生的作用力:

式中:kD——阻力系數;

S——物體的橫斷面積,m2;

ρD——冒落頂板巖層的密度,kg/m3;

H0——冒落頂板巖層的厚度,m;

k——折減系數,一般取0.4。

3 采空區頂板防控技術原理

為降低采空區頂板突然大面積的垮落所帶來的危害,頂板防控技術應遵循強堵快釋的原則。強堵是指通過建筑密閉墻體結構把采空區和生產區隔離,依靠密閉墻承受靜態和動態兩種破壞形式,確保井下安全。密閉墻的設計應以雙混凝土墻+緩沖段為主。快釋是當頂板短時間大面積垮落形成暴風時,通過專門釋放井,使采空區與地面相通,將形成的暴風引導至地面,避免進入生產區域。

4 實例設計

2008年12月3日神木縣大柳塔鎮后柳塔煤礦井下發生大面積冒頂事故。在距主井口約870～990 m段運輸大巷西側,由南向北分別有4、5、6號密閉墻受損,其中4號密閉墻受損較輕,未被沖垮,密閉墻中部有不規則橫向裂縫,裂縫達1～3 cm,5、6號密閉墻完全被沖垮。

根據事故勘察報告,決定對此采空區采取設置密閉墻+雙釋放井的技術措施。

4.1 密閉墻設計

考慮建造2道密閉墻,中間留有注漿緩沖空間的結構,通過密閉墻上預留設的注漿孔向兩道密閉墻體間注入緩沖材料。密閉墻為混凝土墻,緩沖材料為新型羅克休材料。采用羅克休材料是考慮當頂板壓力過大時,新型材料羅克休會被緩慢壓縮,密閉墻體由原來的剛性抗壓變為讓壓,減少沖擊波的能量,確保墻體不會產生裂縫。

同時根據《礦井密閉防滅火技術規范》的要求,密閉墻位置的選擇應在確保施工安全的條件下進行密閉,選擇動壓影響小、圍巖穩定、巷道整齊,密閉外側距離巷口應有45 m的距離。綜合考慮密閉墻位置,決定在距巷道回風流出口3～5 m處建立密閉墻。

4.1.1 密閉墻厚度的確定

密閉墻材料采用C20混凝土,其材料強度按設計規范取用。C20混凝土軸心抗壓強度10 MPa,抗剪強度1.25 MPa。

密閉墻結構厚度計算公式可以根據《采礦設計手冊》硐室密閉墻的設計規范中結構厚度進行推算。

按抗剪強度計算:

式中:fc——混凝土設計抗剪強度,MPa;

H——密閉墻厚度,m;

a——密閉墻所在巷道的凈寬度,m;

b——密閉墻所在巷道的凈高度,m;

P——密閉墻上所承受的壓力,Pa。

經過計算得出,密閉墻厚度為0.89 m,所以該采空區密閉墻混凝土厚度定為1 m,即符合煤礦安全生產要求。

4.1.2 密閉墻的動態受壓分析

假定當工作面采空區有2 m厚的頂板大面積冒落時,若密閉墻長、寬尺寸分別為5.2 m和2.9 m,則根據公式 (1)計算得出當頂板大面積下落形成的暴風作用在密閉墻上的臨界沖擊力約為244 kN,遠小于密閉墻抗壓強度。

4.1.3 密閉墻靜態受壓分析

密閉墻的靜態受壓可以看作是頂板大面積下落,巷道體積變化,造成巷道內空氣壓縮,使密閉墻受到的壓力增加。假設體積變化之比為3∶1,根據狀態方程:

式中:p1——頂板冒落瞬間作用在密閉墻上的壓力,Pa;

p2——體積變化后作用在密閉墻上的壓力,

Pa;

V1——采空區原體積,m3;

V2——變化后的體積,m3。

又:

式中:p1——為頂板冒落瞬間作用在密閉墻上的壓力,Pa;

ρD——為冒落頂板巖層的密度,kg/m3;

H0——為冒落頂板巖層的厚度,m;

ρ0——理想流體密度,kg/m3;

H1——密閉墻巷道長度,取50 m。

代入公式 (3)算出p2=154940 Pa,密閉墻尺寸為5.2 m×2.9 m,則作用在密閉墻靜態壓力為10.329 kN,滿足安全要求。

4.2 釋放井設計

當采空區頂板大面積來壓范圍較大時,為保證密閉墻不被來壓所形成的暴風摧毀,可以考慮在地面垂直鉆孔至采空區頂板,形成釋放井,降低密閉墻所受壓力。

釋放井直徑計算:

式中:L——鉆孔中煤層部分長度,m;

X0——煤層原始瓦斯含量,為煤的瓦斯含量系數;

P0——煤層原始瓦斯壓力,MPa;

X1——煤層安全容許瓦斯含量,X1=a;

Q0——巷道極限瓦斯量,m3。

通過計算可以確定該采空區釋放井的直徑約為1 m,釋放井的布置原則應靠近密閉墻,但是為了防止煤自燃,釋放井可以選擇在距離密閉墻10 m左右的位置。如為雙釋放井設計,兩釋放井間距6～8 m。

5 結論

采空區頂板大面積來壓其主要危險是由于頂板大面積冒落而形成靜態和動態破壞,隨著采空區面積的增大,危害也越大。從采取技術措施上看,建筑密閉墻阻隔暴風和打地面垂直鉆孔釋放井釋放采空區內的暴風都是可行的。

[1]熊仁欽.頂板大面積來壓破壞機理的研究 [J].煤炭學報,1995(S1)

[2]鄭學敏.大型采空區井下密閉墻設計 [J].金屬礦山, 2002(12)

[3]錢鳴高,劉聽成.礦山壓力及其控制 [M].北京:煤炭工業出版社,1991

[4]魏德寧.煤礦新型永久密閉研究與穩定性分析 [J].煤炭技術,2009(1)

(責任編輯 張毅玲)

On coal mine gob roof protection and control technology

Hui Xingtian,Wang Bo
(School of Architecture and Civil Engineering,Xi’an University of Science and Technology, Xi’an,Shaanxi province 710054,China)

惠興田 (1958-),男,漢族,陜西大荔人,副教授,碩士,1982年畢業于西安礦業學院,現在西安科技大學任教,主要研究巖土錨固技術和煤礦工作面巷道施工技術,發表論文30余篇,專著1本,教材1本。

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