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    多堅(jiān)硬層覆巖結(jié)構(gòu)條件下采場(chǎng)異常礦壓形成機(jī)理探析

    2014-09-18 06:57:14
    關(guān)鍵詞:巖塊礦壓覆巖

    ( 徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司 生產(chǎn)技術(shù)部,江蘇 徐州 221006)

    多堅(jiān)硬層覆巖結(jié)構(gòu)條件下采場(chǎng)異常礦壓形成機(jī)理探析

    顧新澤

    (徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)技術(shù)部,江蘇徐州221006)

    以徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司垞城煤礦22109工作面壓架事故為背景,基于砌體梁、關(guān)鍵層、“S-R”穩(wěn)定性理論,綜合分析了4起采場(chǎng)異常礦壓顯現(xiàn)特征,通過(guò)采場(chǎng)覆巖空間結(jié)構(gòu)對(duì)比,覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律計(jì)算驗(yàn)證,揭示了多堅(jiān)硬層結(jié)構(gòu)覆巖條件下采場(chǎng)“雙滑落失穩(wěn)礦壓異常顯現(xiàn)”機(jī)理,明確了多堅(jiān)硬層覆巖結(jié)構(gòu)條件下采場(chǎng)異常礦壓預(yù)測(cè)與技術(shù)控制方向。

    多堅(jiān)硬層;覆巖結(jié)構(gòu);采場(chǎng);異常礦壓;亞關(guān)鍵層

    Analysis of Abnormal Underground Pressure of Mining Field under Multiple Hard Strata

    1 采場(chǎng)異常礦壓致災(zāi)事故概況

    1.1 采場(chǎng)地質(zhì)賦存

    徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱“徐礦集團(tuán)”)垞城煤礦22109工作面位于-750m水平北一延深采區(qū),標(biāo)高-650~-720m;開(kāi)采二疊系下石盒子組2煤,厚0.9~2.3m,平均1.9m,煤層傾角平均28°;基本頂砂巖裂隙發(fā)育不均,多以靜水量為主,表現(xiàn)為滴淋水,水力聯(lián)系較差;根據(jù)采場(chǎng)煤層綜合柱狀圖,該面直接底為砂質(zhì)泥巖,厚1.32m,覆巖從下往上為“軟硬軟硬”結(jié)構(gòu)(如表1)。

    表1 22109采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)

    1.2 工作面概況

    22109工作面平均走向長(zhǎng)1465m,平均傾斜長(zhǎng)157.5m。該面兩巷為矩形斷面,采用錨網(wǎng)梁索支護(hù)。工作面選用ZF3200/16/24B型放頂煤支架作綜采支架使用,共106架,并按從下向上的順序編號(hào);支架工作阻力3200kN,支護(hù)強(qiáng)度0.54~0.58MPa,中心距為1.50m,移架步距為0.6m。

    1.3 工作面壓架事故

    2010年7月1日,該面自切眼起運(yùn)輸巷推進(jìn)835m,材料巷推進(jìn)800m;當(dāng)日夜班1:10左右,采煤機(jī)上行割煤,追機(jī)移架,第14~28號(hào)支架前煤壁開(kāi)始出現(xiàn)片幫、淋水,頂板發(fā)出斷裂聲,支架安全閥開(kāi)啟,下縮明顯;早班12:50,15~25號(hào)支架壓死,40~103號(hào)支架下縮0.2~0.5m。

    來(lái)壓使工作面內(nèi) 9~39號(hào)支架前煤壁片幫達(dá)到了0.2~2.5m,1~8號(hào)、15~25號(hào)支架前頂板冒落0.8~3.6m; 13架液壓支架立柱不同程度壓壞(如圖1),集中在14~28號(hào)支架,膠管損壞231根,安全閥等液壓件損壞68只;工作面8號(hào)、9號(hào)架處出現(xiàn)淋水,涌水量約0.4~0.5m3/h,并逐漸增大,水溫36.1℃;7月2日,7號(hào)、11號(hào)、39號(hào)、45號(hào)支架處合計(jì)涌水量18m3/h,3日后涌水量穩(wěn)定在8~10m3/h。

    圖 1 22109工作面被壓支架立柱折斷

    2 異常礦壓形成機(jī)理探析

    2010-2013年,徐礦集團(tuán)所屬礦井發(fā)生綜采(放)工作面支架被壓災(zāi)害事故,除22109工作面外還有夾河煤礦2447綜采工作面、郭家河煤礦1303和1304里綜放工作面。從現(xiàn)場(chǎng)原因上分析,4起壓架事故均是由采場(chǎng)異常礦壓導(dǎo)致的。

    國(guó)內(nèi)外采場(chǎng)異常礦壓,由于采場(chǎng)條件不同,顯現(xiàn)的現(xiàn)象、特征和機(jī)理不盡相同,但歸納內(nèi)在原因,徐礦集團(tuán)4起采場(chǎng)壓架事故為同類性質(zhì)異常礦壓所致。

    2.1 異常礦壓采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)

    采場(chǎng)異常礦壓是采場(chǎng)圍巖運(yùn)動(dòng)的特殊顯現(xiàn)形式,其內(nèi)在原因必然與圍巖尤其上覆巖層結(jié)構(gòu)直接關(guān)聯(lián),因此,分析異常礦壓顯現(xiàn)機(jī)理必然要分析覆巖結(jié)構(gòu)。通過(guò)比較,與礦壓常規(guī)顯現(xiàn)采場(chǎng)不同,徐礦集團(tuán)4起異常礦壓采場(chǎng)相同本質(zhì)特征是采動(dòng)覆巖均存在2層或以上堅(jiān)硬巖層。

    根據(jù)關(guān)鍵層判別方法可知:22019采場(chǎng)采動(dòng)覆巖下位亞關(guān)鍵層為7.39m砂巖,上位亞關(guān)鍵層為5.91m砂巖,兩層亞關(guān)鍵層相距13.79m,其間所夾軟弱巖層為砂泥巖。

    若h1,h2依次為采場(chǎng)覆巖中從下向上第1層和2層覆巖厚度, ∑h2為硬巖間的軟弱巖層厚度,根據(jù)關(guān)鍵層的復(fù)合效應(yīng)可知:如∑h2/h1≤2.2,且h2/h1≥0.5+1.5∑h2/h1,則相鄰硬巖層產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng),反之則為非復(fù)合效應(yīng)關(guān)鍵層。對(duì)22109采場(chǎng)覆巖,由于:

    ∑h2/h1=13.79/7.39=1.87<2.2

    且h2/h1=5.91/7.39=0.80

    0.5+1.5∑h2/h1=0.5+1.5×1.87=3.31

    即h2/h1<0.5+1.5∑h2/h1。

    所以, 22109采場(chǎng)采動(dòng)覆巖中上位亞關(guān)鍵層5.91m砂巖,與下位亞關(guān)鍵層7.39m砂巖,不產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng),上下位亞關(guān)鍵層分步距斷裂。

    推算判別結(jié)果:與礦壓常規(guī)顯現(xiàn)采場(chǎng)不同,徐礦集團(tuán)4個(gè)異常礦壓采場(chǎng)采動(dòng)覆巖中均存在兩組亞關(guān)鍵層或復(fù)合亞關(guān)鍵層,其中郭家河煤礦1303和1304里綜放采場(chǎng)采動(dòng)覆巖中有4層堅(jiān)硬巖層,下位3層相鄰的堅(jiān)硬巖同步斷裂形成復(fù)合關(guān)鍵層;4個(gè)采場(chǎng)上下位兩組亞關(guān)鍵層或復(fù)合關(guān)鍵層間均不產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng),即異常礦壓采場(chǎng)采動(dòng)覆巖中存在非復(fù)合效應(yīng)雙亞關(guān)鍵層或復(fù)合關(guān)鍵層。

    2.2 非復(fù)合效應(yīng)雙亞關(guān)鍵層破斷步距

    計(jì)算22109采場(chǎng)覆巖下位亞關(guān)鍵層初次破斷步距:

    實(shí)測(cè)初次來(lái)壓步距為37.7m,周期來(lái)壓步距為15.30m,計(jì)算和實(shí)測(cè)基本相近;同理計(jì)算出該采場(chǎng)上位亞關(guān)鍵層初次來(lái)壓步距為28.41m,周期來(lái)壓步距為11.60m。計(jì)算其他3個(gè)異常礦壓采場(chǎng)覆巖中各亞關(guān)鍵層破斷步距均沒(méi)有相同值。

    2.3 雙亞關(guān)鍵層破斷巖塊結(jié)構(gòu)平衡

    采動(dòng)覆巖中非復(fù)合效應(yīng)雙亞關(guān)鍵層破斷后形成復(fù)式砌體梁結(jié)構(gòu),依據(jù)“S-R”穩(wěn)定性理論分析,垞城礦22109采場(chǎng)下位亞關(guān)鍵層破斷巖塊結(jié)構(gòu)平衡狀況計(jì)算如下:

    式中,Lz1為亞關(guān)鍵層周期破斷步距,m;h1為亞關(guān)鍵層厚度,m;S為破斷巖塊回轉(zhuǎn)下沉量, m;M為采出高度, m;Q為亞關(guān)鍵層巖塊重量與載荷,kN/m;θ為破斷巖塊回轉(zhuǎn)角,(°);φ為巖塊間摩擦角,(°)。

    計(jì)算說(shuō)明“煤壁-支架-采空區(qū)垮落矸石”支撐體系必須在下位亞關(guān)鍵層破斷巖梁下至少形成F=6463.02kN/m的影響力,下位破斷塊才不會(huì)發(fā)生滑落失穩(wěn)。

    代入亞關(guān)鍵層參數(shù)計(jì)算,4個(gè)異常礦壓采場(chǎng)中:1303采場(chǎng)覆巖中下位亞關(guān)鍵層F值為負(fù),破斷后能自身取得平衡;其余亞關(guān)鍵層F值均為正,破斷后在支撐體系影響力作用下保持平衡。

    2.4 非復(fù)合效應(yīng)復(fù)式砌體梁失穩(wěn)機(jī)理

    (1)由于破斷步距不同,在采場(chǎng)推進(jìn)過(guò)程中,采動(dòng)覆巖中雙亞關(guān)鍵層破斷線的相對(duì)位置會(huì)交替出現(xiàn)3種情形:上位超前下位、上位滯后下位、雙亞關(guān)鍵層破斷線同位。

    (2)根據(jù)探測(cè)資料和異常礦壓顯現(xiàn)特征分析,異常礦壓顯現(xiàn)時(shí),采動(dòng)覆巖中上下亞關(guān)鍵層破斷線同在支架上方,即復(fù)式砌體梁破斷線同位,如圖2。破斷線同位時(shí),巖塊A′結(jié)構(gòu)平衡所需支撐力由下位巖塊A的前端承擔(dān);巖塊A結(jié)構(gòu)平衡所需支撐力由支撐體系承擔(dān),但支撐體系中煤壁的影響力已經(jīng)減弱或消失,支架支撐力P在巖梁前端的影響力P1和矸石支撐力R矸1起主作用,此狀態(tài)支架承受載荷最大。

    圖2 采場(chǎng)覆巖中雙亞關(guān)鍵層砌體梁受力狀態(tài)

    (3)支架上方非復(fù)合效應(yīng)雙亞關(guān)鍵層破斷線同位時(shí),砌體梁結(jié)構(gòu)平衡極不穩(wěn)定,在誘發(fā)因素作用下會(huì)導(dǎo)致實(shí)際支撐影響力下降或平衡結(jié)構(gòu)所需支撐力增加,此時(shí)有一亞關(guān)鍵層破斷塊失穩(wěn)滑落,則另一亞關(guān)鍵層破斷巖塊平衡狀態(tài)隨之打破,雙亞關(guān)鍵層破斷塊將可能全部滑落失穩(wěn),即發(fā)生連鎖滑落失穩(wěn),從而形成采場(chǎng)異常礦壓,導(dǎo)致頂板切落和支架被壓,這就是徐礦集團(tuán)近年來(lái)采場(chǎng)“礦壓異常顯現(xiàn)”的機(jī)理,簡(jiǎn)稱 “雙滑落失穩(wěn)礦壓異常顯現(xiàn)”機(jī)理。

    (4)復(fù)式砌體梁連鎖滑落失穩(wěn)影響會(huì)繼續(xù)向上伸展,失穩(wěn)后的雙破斷塊隨支架下沉瞬間離合,結(jié)構(gòu)體上覆巖層突然形成較大面積懸露,彎矩短暫時(shí)間內(nèi)增長(zhǎng),達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)將形成斷裂,并產(chǎn)生斷裂聲,導(dǎo)通含水層伴生滲水事故。

    3 異常礦壓顯現(xiàn)力源估算

    3.1 失穩(wěn)巖梁受力狀態(tài)

    砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后,破斷巖塊間的鉸接平衡力減弱或消失,頂板切落,煤壁失去對(duì)結(jié)構(gòu)平衡體支撐作用,支架承受失穩(wěn)載荷為:

    P=wb∑hiγi+Nb∑Qi

    式中,P為巖梁失穩(wěn)后支架載荷,kN/架;W,b分別為采場(chǎng)控頂距、支架中心距,m; ∑h1γi為直接加載在支架上方的軟巖或頂煤載荷,kN; ∑Qi為i層亞關(guān)鍵層破斷巖塊重量及其隨降層載荷之和,kN/m;N為載荷比例系數(shù)。

    (1)若失穩(wěn)時(shí)矸石充滿填實(shí)采空區(qū),支架與冒落矸石按對(duì)應(yīng)失穩(wěn)體的長(zhǎng)度比例分擔(dān)載荷(圖3(a)),所以N=w/Lzi或N=w/Lci,Lzi,Lci分別為亞關(guān)鍵層周期和初次破斷步距(從下向上,i=1為第1層,i=2為第2層);

    (2)若失穩(wěn)時(shí)采空區(qū)矸石冒落不充分,從轉(zhuǎn)矩平衡角度分析,支架承擔(dān)載荷為失穩(wěn)體一半的重量(最危險(xiǎn)狀態(tài)) (圖3(b)),即N=0.50。

    圖3 砌體梁失穩(wěn)后的兩種受力狀態(tài)

    3.2 支架承擔(dān)失穩(wěn)載荷量估算

    采空區(qū)冒落矸石上方剩余的空間為:

    Δs=M-∑hi(kp-1)

    式中,Δs為采空區(qū)冒落矸石上方剩余的空間,m;M為采出高度, m;Kp為冒落巖石碎脹系數(shù);∑hi為直接加載在支架上方的軟巖或頂煤厚度,m。

    22109采場(chǎng)取Kp=1.30,計(jì)算出Δs=-2.2m;負(fù)數(shù)說(shuō)明冒落矸石能充滿填實(shí)采空區(qū),則支架與冒落矸石按對(duì)應(yīng)的滑落失穩(wěn)體長(zhǎng)度比例承擔(dān)載荷,采場(chǎng)控頂距越大,支架承擔(dān)失穩(wěn)巖塊的長(zhǎng)度和載荷比例越大,反之則越小,所以有:

    N=w/Lz1=3.95/15.30=0.26

    上下位破斷塊同步滑落失穩(wěn)時(shí),支架載荷估算為:

    P雙=Wb∑hiγi+Nb∑Qi=3.95×1.5×17.22×

    25 +0.26×1.5×(8101.35+7627)=8684.77(kN/架)

    此失穩(wěn)壓力是支架工作阻力3200kN/架的2倍多,與同理計(jì)算的單一巖梁失穩(wěn)力源相比,雙失穩(wěn)力源超出單一失穩(wěn)力源2974.53 kN/架。因此,一般支架難以承受如此大的壓力,必然造成壓垮支架事故。

    計(jì)算郭家河1304里綜放采場(chǎng)下位巖梁?jiǎn)我皇Х€(wěn)力源只有12457kN/架,而該采場(chǎng)選用支架工作阻力為15000kN,支護(hù)強(qiáng)度1.38~1.39MPa;從計(jì)算數(shù)值上看,單一失穩(wěn)力源不足以造成壓架事故。

    非復(fù)合效應(yīng)雙亞關(guān)鍵層雙砌體巖梁失穩(wěn)力源超出單一砌體巖梁失穩(wěn)力源和支架工作阻力,形成數(shù)倍于常規(guī)礦壓的異常礦壓,這就是支架被壓損和高工作阻力支架壓架事故的原因。

    4 異常礦壓機(jī)理解析

    4.1 異常礦壓顯現(xiàn)條件

    多堅(jiān)硬層覆巖結(jié)構(gòu)采場(chǎng)異常礦壓異常顯現(xiàn)是復(fù)式砌體梁滑落失穩(wěn)引起的,失穩(wěn)的內(nèi)在原因是非復(fù)合效應(yīng)雙亞關(guān)鍵層破斷線同位;破斷線同位會(huì)周期性出現(xiàn),并會(huì)有礦壓顯現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)象。

    但破斷線同位未必出現(xiàn)雙滑落失穩(wěn),由現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和理論分析可知,滑落失穩(wěn)只有在外在誘發(fā)因素作用下才會(huì)發(fā)生,如遇構(gòu)造、覆巖富水、采厚大、支護(hù)強(qiáng)度低、采空區(qū)冒落不充分、生產(chǎn)工序不當(dāng)?shù)取?/p>

    4.2 雙滑落失穩(wěn)機(jī)理特征

    多堅(jiān)硬層覆巖結(jié)構(gòu)條件下,采場(chǎng)“雙滑落失穩(wěn)礦壓異常顯現(xiàn)”機(jī)理與其他異常礦壓顯現(xiàn)機(jī)理不同在于:

    (1)引發(fā)礦壓顯現(xiàn)的主體不同 其他采場(chǎng)引發(fā)礦壓強(qiáng)烈或異常顯現(xiàn)的主體分別有覆巖中薄基巖厚松散層、單一厚關(guān)鍵層、主關(guān)鍵層或復(fù)合效應(yīng)關(guān)鍵層等;而徐礦集團(tuán)4起異常礦壓的引發(fā)主體是采動(dòng)覆巖中非復(fù)合效應(yīng)雙亞關(guān)鍵層。

    (2)礦壓顯現(xiàn)成因不同 其他采場(chǎng)礦壓強(qiáng)烈或異常顯現(xiàn)的成因有覆巖厚松散層沉降、單一厚關(guān)鍵層失穩(wěn)、主關(guān)鍵層斷裂或失穩(wěn)、多關(guān)鍵層破斷的復(fù)合效應(yīng)等幾種情形;而徐礦集團(tuán)4起異常礦壓顯現(xiàn)的成因是采動(dòng)覆巖中非復(fù)合效應(yīng)復(fù)式砌體梁連鎖滑落失穩(wěn)。

    (3)解釋的現(xiàn)象不同 其他異常礦壓機(jī)理解釋了采場(chǎng)礦壓常規(guī)、非均勻性顯現(xiàn)和特例礦壓強(qiáng)烈顯現(xiàn)現(xiàn)象;“雙滑落失穩(wěn)”機(jī)理解釋了礦壓異常顯現(xiàn)的偶然性、高工作阻力支架仍然發(fā)生壓架事故和伴生滲水的原因。

    5 結(jié)論

    (1)多堅(jiān)硬層覆巖結(jié)構(gòu)條件下采場(chǎng)異常礦壓致災(zāi)事故是由覆巖內(nèi)在運(yùn)動(dòng)和外在因素誘發(fā)共同作用導(dǎo)致的。

    (2)徐礦集團(tuán)4起異常礦壓采場(chǎng)相同本質(zhì)特征是采動(dòng)覆巖中存在由多堅(jiān)硬層構(gòu)成的非復(fù)合效應(yīng)雙亞關(guān)鍵層。

    (3)非復(fù)合效應(yīng)雙亞關(guān)鍵層破斷巖塊在破斷線同位狀態(tài)下,受誘發(fā)因素作用發(fā)生雙滑落連鎖滑落失穩(wěn)形成異常礦壓,力源超出單一巖梁失穩(wěn)力源3000 kN/架左右,這就是徐礦集團(tuán)4起采場(chǎng)異常礦壓形成機(jī)理。

    (4)引起采場(chǎng)異常礦壓的機(jī)理不同,異常礦壓預(yù)測(cè)方法和控制技術(shù)也不同;必須基于礦壓異常顯現(xiàn)機(jī)理和誘發(fā)因素分析,針對(duì)性地采取預(yù)測(cè)方法和技術(shù)控制對(duì)策,才能可靠有效地治理采場(chǎng)異常礦壓災(zāi)害。

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    [12]史 紅,姜福興,李連祥.構(gòu)造帶綜放工作面支架異常壓力機(jī)理探討[J].巖土力學(xué),2006(10).

    [責(zé)任編輯:鄒正立]

    2014-08-20

    10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.027

    顧新澤(1962-),男,江蘇東臺(tái)人,采礦高級(jí)工程師,主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)與管理工作。

    顧新澤.多堅(jiān)硬層覆巖結(jié)構(gòu)條件下采場(chǎng)異常礦壓形成機(jī)理探析[J].煤礦開(kāi)采,2014,19(6):103-106.

    TD326

    B

    1006-6225(2014)06-0103-04

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