布爾臺區域巷道形變原因分析及解決方案

曹 軍

神東煤炭集團寸草塔二礦 內蒙古 鄂爾多斯017209

0 引言

布爾臺區域42煤生產期間由于礦山壓力大,造成工作面來壓時頂板下沉量大、巷道形變嚴重,巷道頂板邊角處有抽冒現象、幫鼓、底鼓,出現安全出口變小,巷道頂底板移近后設備無法通過、超前支護單體損壞,既影響工作面的正常回采,又出現安全隱患,增加了經營成本,降低了人工工效,因此采取措施解決礦壓問題至關重要。

1 礦山壓力大、巷道形變嚴重原因分析

1.1 基本概況 布爾臺區域開采的42煤為31煤和42上煤層的合并層,煤層傾角1～6°,煤層厚度在3.6 ～7.2 5 m,直接頂厚度2～10 m,老頂厚度11～17 m,地表標高1213～1383 m,煤層底板標高904～953 m,靠近大巷附近形成分層,層間距為0～39 m,平均26.1 m;上部22煤層已回采完畢,42煤與22煤層間距為37～77m。

1.2 原因分析

1.井田內斷層構造多,多呈帶狀分布,兩斷裂帶之間有壓力未釋放或采動影響后產生蠕動。

2.工作面布置開采順序為沿煤層傾向下行開采,使得采空區垮落后頂板的懸臂梁較上行開采相對大,若為砌體梁因煤層傾角的存在作用力也相對較大,沉降巖體偏向下山方向移動,使煤隔離柱所承受的頂板壓力增大并附加有側應力。甚至有時先形成懸臂,隨采動及隔離煤柱的屈服而垮落,使隔離煤柱受多次礦壓影響,使巷道支護持續受力破壞。表征為地面不同時期局部形成平行順槽的2～3條垮落裂縫,在一次采動時臨近巷道形變就很嚴重。

3.布爾臺區域42煤采用放頂煤工藝回采,直接頂厚與采高比k＜2,碎漲系數為1.2～1.4,直接頂冒落后不能完全充填采空區,不能對采空區老頂形成支撐,老頂處于懸空狀態,平時下沉量和下沉速度不明顯,來壓時明顯、來壓劇烈。

4.由于隔離煤柱寬,隔離煤柱上方頂板不能隨老頂一起側翻冒落,隔離煤柱在左右工作面推過后兩側形成懸頂,就像汽車減震“板簧”一樣結構,兩順槽頂板如果不能及時垮落使懸臂梁跨度增加,來壓的籌碼加大,達到煤體屈服點時,煤柱碎裂、壓縮,形成較強的超前應力;由于聯巷的存在,聯巷處恰恰形成了泄壓槽,聯巷前后受擠壓變形嚴重。表征為聯巷前后20 m范圍內巷道頂板下沉、幫鼓和底鼓。

5.埋藏深度及開采影響。42煤層埋藏深度為330～450 m,上部22煤層已回采完畢,發生過一次斷裂垮落,采空區冒落為至地面“通天劈”,22煤層往上巖層已基本無自承能力;致使來壓時上覆基巖的全部應力作用在工作面支架上,壓力顯現較強。甚至42煤頂板和22煤頂板形成“砌體梁”結構,在回采時錯過22煤以上巖石冒落塊段平衡點時,隨著42煤的頂板冒落一同下滑側翻旋轉或超前側翻,造成礦壓疊加,比正常來壓時礦山壓力大。表征為工作面周期來壓強度呈周期性大、小變化,周期來壓步距大小不一。

6.井田區域內斷層、裂隙較為發育,破壞了煤巖的完整性,在斷層、裂隙在隔離煤柱附近時,頂板完整性受到破壞,煤巖石失去自承能力,造成頂板壓力大(多為走向平行于或近平行于工作面的斷層)。表征為構造前后巷道變形嚴重。

7.上部22煤回采時,工作面順槽的隔離煤柱或跳采煤柱使上部很大一塊巖體和下部巖體形成一個整體,易發生應力集中,對下部工作面的壓力有所影響;尤其沿工作面推進方向長度超過一個周期來壓步距、寬度較大的集中煤柱(寬度需要根據22煤的屈服強度來確定)。表征為煤柱下方礦壓明顯比無煤柱區段增大。

8.隔離煤柱尺寸不合適。采面間隔離煤柱留設較大,巷道位于應力高峰值區域,煤層裂隙發育、完整性差、承載能力差,頂板壓力作用下失衡、屈服,巷道兩幫變形量大。寸草塔二礦隔離煤柱寬度為20m,布爾臺礦隔離煤柱寬度為25 m,通過現場情況對比寸草塔二礦的礦壓相對小。

9.4 2煤局部存在泥巖底板,存在相對較軟的區域。巷道兩側煤體壓入底板,底板受壓縮向有自由面巷道一側膨脹,造成巷道底鼓。

10.巷道掘進期間留有底煤。42煤底板巖體強度相對大于煤體的強度,在頂板壓力作用下,巖石底板不宜變形,但留有底煤后巷道兩側煤體在頂板壓力作用下發生變形,巷道兩幫受壓向中部擠壓,底煤部分因煤巖接合為層間弱接合面很容易和煤層底板分離,由于自由面的存在破碎鼓起。而如果不留底煤,巖石是一個完整的整體且相對較為堅硬,巷道兩側的煤體在擠壓變形時會在接合面處分離,這樣力傳遞給底板的會減小,底板不宜發生變形底鼓。

11.工作面切頂線在煤壁處或支架上方,而非在支架頂梁末端,造成的主要原因是工作面支架支護強度不足。支架的支護強度加上22煤至42煤工作面頂板的自承能力應能夠承受工作面頂板至地面所有巖層的重量。

12.頂板內局部有堅硬巖層。在42煤煤層頂板往上1～2 m的位置和老頂中部位置有堅硬巖層。當距離頂板較近堅硬巖層厚度超過0.8 m時,順槽三角區頂板就不能夠及時垮落,懸頂面積大;當老頂中部堅硬巖層存在時造成工作面周期來壓步距加大、礦壓大。

13.巷道變形量超出錨桿、錨索的延展量,使錨桿、錨索破斷失去支護作用,在沒有約束的情況下,巷道形變就較為嚴重。在回采過程中,在壓力持續增大、無支護狀態下形變逐漸增大,最大形變量達1.2 m,使采煤工作面的安全出口變小。

14.施工砼底板直接接觸巷道兩幫,巷道兩幫變形后擠壓砼底板路面,出現砼路面鼓起而原巷道底板未發生形變的“偽底鼓”現象。

2 解決方案

2.1 開泄壓槽法 底板泄壓槽:在巷道兩側底板開泄壓槽。一般沒有留底煤的將混凝土底板部分掏掉即可;留有底煤部分,深度需要根據觀測形變位置進行確定,底煤不厚的掏至煤層底板;泄壓槽寬度根據巷道兩幫的形變量來確定。

頂板泄壓槽:對于頂板下沉量較大的巷道段,巷道頂板會呈以正幫側為軸的旋轉,巷道頂板會受擠壓造成頂板破碎甚至冒頂,可以在巷道副幫頂板預開泄壓槽,留有擠壓自由面,使頂板壓力進行釋放,使壓力向深部延伸,同時也防止頂板支護受剪切破壞。

2.2 底板注漿形成反向拱 對于局部為泥巖強度相對較低的底板,在巷道底板及兩側煤體底板下部松動圈范圍內注漿加強底板,形成反向拱,利用兩側煤體壓住反向拱,反向拱的厚度需根據形變范圍等因素確定。增加底板強度的同時減少底板的形變量,將應力向深處傳遞;隨著形變位置的加深,巷道底板的自承能力也加大,能夠起到控制底鼓的作用。

2.3 優化支護設計和工藝 采用恒阻錨索加強支護。聯巷口部巷幫、斷層構造帶前后巷幫、二次采動巷道巷幫中部等巷道形變量相對較大的地點,采用大形變量恒阻錨索進行加強支護,給巷道一個形變范圍而不失去支護,起到一定的泄壓而不失約束。

先補強后降低強度。對巷道頂板、兩幫進行錨索+鋼帶補強支護,降低巷道的形變量;在頂板進入支架頂梁之前,將錨索、錨桿退掉,降低頂板的支護強度,使巷道頂板能夠及時垮落,減少三角區的懸頂面積,從而減小超前壓力。

工作面支架強度應能滿足支護工作面頂板至地面巖體的壓力,同時要考慮上部煤層和下部煤層“砌體梁”結構帶來的壓力。

2.4 優化巷道層位 不留底煤掘進或破煤層底板掘進。沿煤層底板掘進,不施工砼底板或施工砼底板時兩側留邊溝;掘進時按照砼底板厚度破底,施工砼底板后和煤層底板相平或略低,將煤巖接合面揭露在外,兩側煤體發生形變時會從接合面處裂開,不帶動煤層底板巖體形變,防止了砼底板路面的鼓起。因巷道起伏較大或地質構造影響必須留底煤時,要對巷道底板進行強度增強或開泄壓槽。

2.5 優化隔離煤柱寬度 通過優化隔離煤柱寬度,避免在原始構造應力場的高應力部位和采動應力場中的高應力部位布置巷道,降低應力的影響。減小順槽之間的隔離煤柱,同時也減小了隔離煤柱上部巖體的體積,使得煤柱隨著回采,上部巖體能夠及時側翻垮落,隔離煤柱及時松軟壓垮降低來壓強度,降低超前壓力;減小隔離煤柱也能夠將壓力峰值區轉向工作面的實體煤,降低隔離煤柱所承受的壓力。

2.6 無煤柱開采 采用無煤柱開采,將全部礦壓轉移到工作面實體煤上。主要方法有沿空留巷、沿空掘巷和N10工法掘巷帶留巷等。不留隔離煤柱,也會減小隔離煤柱對下層煤開采的影響。

2.7 采用深孔高壓水預裂技術 因兩順槽巷道頂板存在淺部堅硬巖層,使用高壓水對頂板進行預裂,再結合退錨,以便移架后老頂能及時垮落,減少采空區頂板懸頂面積,降低超前壓力。

2.8 采用定向爆破預裂切頂技術 針對一次采動巷道回采后形成懸臂梁頂板采取爆破預裂切縫放頂技術。在回采前采用爆破技術,沿順槽巷道副幫側頂板采取定向切縫,待工作面推過后,在礦壓作用下頂板將沿預裂切縫自動切落,通過減小懸臂梁來減小作用在隔離煤柱上的應力。

2.9 采用定向高壓水切割預裂技術 針對深層堅硬頂板和兩層煤頂板礦壓疊加問題,采用定向高壓水切割預裂技術,人工干預周期來壓步距。人為根據22煤頂板的斷裂點和42煤頂板內硬巖的分布情況,選取合適的預裂點,減小周期來壓步距,降低來壓強度。

2.1 0選擇正確的回采工藝 大采高工作面煤壁揭露面積大,按照屈服計算時,向煤壁內垮落的深度要較綜放工作面深,從而增加了支架的控頂面積,是的支架承受的壓力增大,也就使大采高工作面較同等的綜放工作面來壓時強度大的原因。因此在煤種強度等符合放頂煤工藝要求的情況下優先選用放頂煤采煤工藝。

2.1 1選擇合適的工作面布置方式 因煤層傾角的存在,在煤層傾向較穩定的情況下,工作面整體布局為沿煤層傾斜方向呈上行開采,減小頂板懸臂梁長度或“砌體梁”的應力,來減小隔離煤柱上承載的應力。

正確選擇采高、采放比、工作面長度和推進長度等工作面參數,在提高回采率的同時,保證推進速度滿足礦壓的變化。

正確的安排工作面推進和相應巷道掘進準備的時間、空間關系和回采工作面接替順序等,實現在經歷采動釋放應力的“內應力場”中掘進或維護巷道、推進回采工作面。

在工作面設計規劃時對已知的地質構造帶、褶皺的波峰和波谷處進行躲避,盡量不要在這些區域布置巷道,無法躲避的采取加強支護。

在上層煤無集中煤柱的情況下,考慮上下層工作面垂直布置,使上下層采空后頂板切塊方向不一致,防止礦壓疊加。

2.1 2加強放頂煤管理 端頭為采煤機斜切進刀區段,工序較為緊張,往往是放煤效果最差的地方,放頂煤效果差,會造成端頭段局部能夠形成充填到老頂,起到支撐作用,加大了三角區的懸頂面積,超前來壓強度增大。工作面兩端頭的放頂煤盡量靠近兩順槽,使得端頭處頂板能夠隨工作面頂板及時垮落,也使二次巷道躲開壓力升高區域,減少巷道上方的壓力。

整個工作面要將煤全部放凈,使采空區充填一致,不要出現局部不放現象,會在采空區形成隱形的煤柱,對采空區老頂形成一定的支撐,造成周期來壓步距加大,同時也會出現局部應力集中。

2.1 3集中煤柱的處置方案 為避免上部采空區集中煤柱造成的礦壓增加,在條件允許的情況下對其進行強制爆破,破壞煤柱的完整性,防止側翻大巖體的形成。

在礦井設計之初就考慮好整體開采方案,上層煤回采時最好能夠選用無煤柱開采技術,避免形成煤柱。也可以采取小煤柱開采,小煤柱可以在回采時受礦壓影響就已壓裂破碎,不會造成應力集中。

上部采空區有隔離煤柱時,下部工作面的順槽躲開上部隔離煤柱,避免重疊布置,躲開距離L≥h·ctgα+l(h為最大層間距,α為垮落角,l為最大周期來壓步距)。

2.1 4優化路面管理 施工砼底板路面時,巷道兩側不與巷幫接觸,在保證行車、行人安全的前提下留有邊溝,形成泄壓槽,避免巷道片幫擠壓混凝土路面,造成混凝土路面的鼓起。也可以把邊溝用預制混凝土塊充填,在巷道受到采動影響前將其取出。路面也可以完全采取預制混凝土塊鋪設,適應巷道底鼓能力較強。

3 結論

在布爾臺區域采取相應措施后礦壓顯現較布爾臺煤礦明顯減小,有效的控制了巷道的形變,但還有進一步的優化空間。

存在類似地質條件的礦井在設計之初考慮躲開地應力集中區;已不具備條件躲開應力集中區時采取降低礦壓、釋放礦壓的方案;在以上條件都不具備的情況下采取加強支護等方案。