煤矿开采矿压显现规律及巷道支护技术

煤矿开采矿压显现规律及巷道支护技术

解玉军

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摘要：煤炭资源紧张逐渐加剧和开采深度加深已成为煤炭行业现状。随着支护材料和采煤设备的不断发展，矿压的防治技术也越来越成熟。然而，常用的分段保护煤柱工作面布置技术从根本上制约了矿区煤炭回收率的进一步提高，需要优化传统的长壁开采工作面布置技术。沿空留巷技术作为一种无煤柱开采方法，可以消除工作面开采过程中断面煤柱的设置，在确保安全矿压的前提下，供邻近工作面连续使用。

关键词：煤矿开采；矿压显现规律；巷道支护技术

引言

采煤过程中，自然状态下烃源岩的发生状态发生了变化。随着工作面的推进，煤不断剥落，巷道围岩及其周围室的应力和变形也不断增大和复杂。胁迫造成的压力事故成为煤矿最大的伤亡，严重威胁着矿山人员和设备的安全。随着开采深度的增加，土压力下可能发生的任何不确定性都会增加。在综放开采过程中，采煤工作面对煤壁帮助很大，地层压力剧烈，严重影响了工作面的安全生产。通过现场实测显示土压力基本规律的分析，提出了改善开采过程中安全风险的改善措施和控制方法。

1复合顶板的矿压显现的特点

复合顶板，又称分离顶板，是煤矿常见的顶板结构之一，它通常由1层以上的软或硬岩层组成。在不同的结构条件下，顶板特征是不同的，复合顶板支护是目前国内外巷道支护领域的难题之一。该类顶板所显现出的矿压特性也具有一定的复杂性。复合顶板通常具有软、弱、薄3大特点。顶板中弱夹层的高度直接影响整体力学性能。根据复合顶板的结构特点，可将其分为3种类型:上软下硬型、中硬组合型、上硬下软型。在传统的长壁开采巷道布置中，上软、下硬顶板在工作面开采后和采空区冒顶前没有明显的超压报警，顶板冒落速度较快，冒落面积和冒落强度也较大，对工作面液压支架支护强度和巷道超前支护要求较高。上硬、下软顶易发生冒顶事故。此外，在工作面正常开采前进的情况下，在这种顶板条件下，采空区容易发生工作面开采后顶板首次垮落，但首次垮落产生的矸石难以充填采空区。也就是说，矿压显现规律表明上部坚硬地层将在煤层内大面积悬浮，随后的顶板压力仍将处于一个较高的峰值。中、软组合式顶板同时具有上述2种顶板类型的特点，其第1次垮落强度略弱于上软下硬顶板，但顶板来压仍具有突然性和周期性。分析结果表明，不同强度的顶板复合结构所显示出的矿压规律是完全不同的。上硬下软和上软下硬顶板的矿压规律可由地层应变形态表示。

2复合顶板的矿压作用下的切割效应

在分析复合顶板矿压显现规律的基础上，初步推导了复合顶板在顶板切削压力释放条件下的地层压力特性。顶板切割卸压采空区沿空留巷支护技术，为了使煤矸石从顶板开采范围内坍塌，能够有效地填充相邻的采空区，采空区开采高度通常根据采空区顶板膨胀系数的1.2～1.5计算。以典型的软弱夹层复合顶板为例，分析软弱夹层分别位于顶板切削范围的上、中、下3个部位，以此全面分析工作面的矿压显现特征。具体分析如下:采空区顶板与巷道顶板之间的水平连接被倾斜方向的顶板割缝切断，采空区顶板与巷道顶板之间的应力传递只能通过采空区顶板间接传递，同时开采振动发生在顶板切割范围以上的地层。当薄弱夹层位于顶板开采区顶部时，由于薄弱夹层抗拉能力较差，顶板开采区坍塌对上部地层的拉力较小。同时，顶板冒落的煤矸石可以有效地填充邻近留巷的采空区，在此条件下留巷最为稳定，即留巷的支护强度要求较低。通过常见矿压显现规律分析，当软弱夹层位于顶板开挖范围的中部时，下部稳定地层容易坍塌，不会对上部地层产生过大的拉力。但是，顶板开采范围内的上部稳定地层由于厚度较薄，在矿压作用下难以顺利自然塌陷，可能对上部地层产生较大的拉力。因此，在这种情况下，对空采巷的支护强度要求较高。当软弱夹层位于顶板开采范围的底部时，虽然开采范围内的上稳定层与开采范围以上的地层之间存在一定的黏结力，但由于上稳定层厚度较大，在自重作用下也能顺利塌陷。因此，在这种情况下，矿压显现数值较小，空采巷的支护强度要求是中等的。

3应对措施

(1)初采期间，在工作面循环压力下，支架的工作阻力明显增大。在施加压力之前，应提前调整工作面，加强支架维护和超支架管理，防止电缆和水管出现超出低压支架的周期性损坏。周期性压力循环对开采高度影响很大。当工作面推高130.7米时，端面比空位置大，因此要加强顶板管理，及时跟上机器和前车架，加强对机器尾部的超前控制，严格控制前、终支柱空位置[8]。工作面推进至150.6米前，必须提前调整工作面回采高度和输送机运行方向，避免尾滚筒影响正常安全出口，防止工作面发生较大漏水事故。(2)工作面定期受压时，煤壁坑严重，在推进过程中容易死亡。为了控制煤机的牵引速度和长度，必须使用信息和护板拉伸布料。(3)工作面支护受采空区煤柱影响。这个地区的屋顶压力很大，有不同程度的渗漏。前支架必须提前移动，且车顶不得脱落。(4)综采工作面推进约100м时，出现应力集中，岩体进行定向爆破，岩体中形成许多裂缝，形成连续的松散破碎卸压带。高压区的峰值支撑压力传递到深部围岩，从而降低应力集中，起到缓冲作用。

4巷道支护技术

4.1永久性支护技术

在永久性支护技术处理方案中，主要是利用混凝土材料，因此，也被称为混凝土永久性支护模式，配合锚网喷洒等技术方案，就能维持煤矿周围岩壁的安全性。与此同时，结合掘进技术距离的处理工序，完成锚杆安装后，喷洒标钉，确保混凝土处理工艺和应用工序满足标准。在喷洒混凝土后，施工人员就要完成钢筋网的安装处理任务，并且在表面覆盖混凝土，能更好地提升煤矿工程项目支护效果，强化岩壁厚度，避免塌方等灾害问题造成的经济损失和人员伤亡。

4.2临时支护技术的应用

临时支援技术具有成本低、灵活性高的特点。临时支撑技术主要使用木材材料，因此在实际应用中要注意木材材料的防火防潮问题。为了确保采煤工作顺利进行，在采用临时支援技术时，应尽量减少木材材料的使用，改用其他安全性和稳定性较高的材料。

4.3锚杆支护

对于煤矿工程项目施工中支护环节而言，锚杆支护是较为常见的支护处理方式，能在打造良好支护效果的同时，更好地改善巷道围岩结构的承载效果，适用性强且稳定性高，因此，锚杆支护技术的应用价值和推广范围较大。一方面，锚杆支护技术能有效修复破损的巷道结构，在应用混凝土支护处理技术的过程中，为了避免压力产生的巷道裂缝，利用锚杆完成区域性修护处理，能避免裂缝尺寸的扩大，减少巷道损坏几率。并且，在巷道出现浮石问题时，利用锚杆支护岩石的处理方式也能有效减少岩石滑落对其应用效果和安全性产生的影响。另一方面，锚杆支护处理技术能减少巷道底鼓的问题，尤其是在巷道地面出现凸起问题后，巷道作业会受到影响，在传统的操作方案中一般是直接铲掉凸起位置，但是无法有效从根源解决问题，需要反复铲土。

结束语

通过对矿井巷道复合顶板层合结构的推导，得出了综采工作面矿压显现规律，发现在复合顶板条件下，薄弱夹层的承载能力较差，在外力作用下容易产生应力集中和拉伸变形或破坏。在倾斜剖面上推导和分析了不同弱夹层高度条件下的顶板切削压力释放效应和矿压显现规律，得出如下定性结论:当弱夹层位于顶板切削区顶部时，留巷支护强度要求最低;当弱夹层位于顶板切削区中部时，留巷支护强度要求最高;当弱夹层位于顶板切削区底部时，留巷支护强度要求中等。采用数值模拟方法，定量研究了薄弱煤层高度与顶板开采压力释放效果之间的关系。

参考文献

[1]董鑫,李鹏.煤矿采矿工程巷道掘进和支护技术的应用研究[J].内蒙古煤炭经济,2019(05)[2]李东.浅谈煤矿采矿工程巷道掘进和支护技术的应用分析[J].石化技术,2019,27(01)

[3]秦东平.煤矿综放开采矿压显现规律实测分析[J].煤炭科技,2019,40(06)

[4]甄向宇.煤矿采矿工程巷道掘进和支护技术的应用研究[J].科技视界,2019(10)

[5]闫寅山.榆家梁煤矿综采矿压显现规律及支架适应性研究[J].陕西煤炭,2018,37(S1)