煤礦開采工作面礦山壓力特征研究

楊朝興

(山西焦煤汾西礦業(yè)中興煤業(yè)，山西 呂梁 030500)

煤礦開采工作面礦山壓力特征研究

楊朝興

(山西焦煤汾西礦業(yè)中興煤業(yè)，山西 呂梁 030500)

在礦山壓力和巖層控制理論的研究基礎(chǔ)上對煤礦開采工作面礦山壓力的特征進行了研究，礦山工作面的觀測以及巷道的各種量測，為進行工作面、采前、采后支承壓力的規(guī)律現(xiàn)象提供了技術(shù)層面的支持，并且通過實驗室研究方法和手段的完善，及各種關(guān)于煤礦開采工作面礦山壓力的特征研究理論，包括參數(shù)的選擇、工藝的確定、巷道尺寸的確定、煤柱的布置等，得到了實際參數(shù)的論證，為煤礦開采工作面礦山壓力的研究提供了佐證。本研究以期為實際煤礦開采工作提供參考。

煤礦開采；工作面；礦山壓力

礦山工程中由于受到巖層和地質(zhì)的影響，會出現(xiàn)圍巖的變形、離層、垮塌等重新應(yīng)力分布的情況。在工程實踐中，由于采掘空間的作用，巖體在支護物的作用下不斷承受來自礦山的壓力簡稱為礦壓。礦壓一部分是從采掘工程而來，另一部分來自巷道的開掘和采煤工作。當(dāng)前，我國的煤礦采掘頂板事故，占據(jù)了整體煤礦安全事故的40%左右，隨著采礦工業(yè)的不斷進步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們開始對礦山壓力的規(guī)律展開了研究，在礦井的布置、巷道的開拓、支護的埋設(shè)以及頂板的布置等方面，經(jīng)過理論分析得到準(zhǔn)確的參數(shù)作為實踐的參考，并且依據(jù)參考，采取切實可行的技術(shù)措施加以防護。

1 礦山壓力概述

礦山壓力的作用下，圍巖和支架的施工中會出現(xiàn)變形、離層、破壞等情況，這些礦山壓力的表現(xiàn)統(tǒng)稱為礦山壓力現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的破壞力量是巨大的，如，頂板的破碎、大面積的冒落、支架的變形及工作面的頂板下沉等。在這種情況下進行采煤作業(yè)是十分危險的，因此，要對頂板加強控制工作，以期為實際煤礦開采工作提供參考，特別是對于其中的剪影巖層的活動規(guī)律進行監(jiān)控，將之作為工作面巖層運動的主體，控制工作面的落煤、直接頂?shù)姆彭?、推進速度的變化，基本頂?shù)臄嗔押拖鲁恋鹊乃俣?，保持頂板穩(wěn)定[1]。

2 礦山壓力研究

對于礦山壓力的研究，目前是隨著放頂煤的開采而進行的。實際中，放頂煤支架的煤層是相對松軟的，因此在過程中會由于礦壓的規(guī)律和控制特點出現(xiàn)綜放開采的現(xiàn)象，例如，礦壓頂煤的破碎。頂層支架和圍巖的高效布設(shè)等，因此，需要對放頂煤的安全進行監(jiān)控。

對堅硬頂板基本頂?shù)膩韷汉椭芷趤韷哼M行計算，得到荷載情況是具有強烈沖擊力的[2]。為了達到很好的經(jīng)濟效益，在實際工作中提出了煤柱支撐法、水沙沖天法、超前工作步距爆破法等。大傾角的礦壓顯現(xiàn)出來的不對稱，導(dǎo)致采空區(qū)工作面的滑落等，使得自身動力和回采的工藝受頂板和底板運動作用下影響，導(dǎo)致巖層控制和回采工藝的復(fù)雜性更加加劇。通過實踐驗證，在大傾角的工作面下進行回采，其設(shè)備的防倒和防滑是關(guān)鍵性技術(shù)條件，使得大傾角的工作能夠在充分研究的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)煤層的高產(chǎn)和高效。通過對深井的井下開采和“三軟”的開采，各種地質(zhì)下煤層的開采都取得了很好的成果，對礦壓的顯現(xiàn)和巖層的控制是有成效的。在復(fù)雜條件下，各種回采的條件被開創(chuàng)出來，形成了礦壓的理論，各類實驗手段和方法得到不斷的完善，礦壓用的儀器儀表實現(xiàn)數(shù)字化、小型化等。

3 工作面頂板的斷裂的力學(xué)分析

1) 以某煤礦工作面中的煤層情況為例，礦區(qū)內(nèi)的煤層深度在90 m左右，煤層頂板的地質(zhì)以石英和細粒砂巖為主，巖層的水平和波狀層面的發(fā)育成熟，直接頂上部為中粒砂巖，煤層的底板為砂質(zhì)泥巖以及植物碎片化石。工作面支架的長度為206 m，端頭支架和中間支架參數(shù)相同，為2 600 mm～4 900 mm[3]。

2) 對于觀測站的布設(shè)，分別采用3個測點的方法，1號和2號測點的工作端點為工作面中部向著監(jiān)測工作面的頂板進行位移，得到的活柱產(chǎn)生了下縮，根據(jù)臺階的落差、裂隙的發(fā)育計算進行了支架的受力檢測。

3) 對于工作面支架阻力的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，得到了各個觀測支架的工作阻力，隨著工作面的推進得到了老頂來壓步距和強度。根據(jù)采場開挖的頂板的特點，發(fā)現(xiàn)巖體中的原始微裂紋產(chǎn)生了張開和擴展，因此，對于頂板巖層的破壞從微觀上被判斷為張拉的破壞，主要的因素是拉應(yīng)力引起的裂隙的擴展，基本頂?shù)年P(guān)鍵層發(fā)生了破壞的過程，導(dǎo)致頂板巖體裂縫的位置和擴展的方向發(fā)生了破斷的形態(tài)[4]。

4) 頂板巖層中部拉應(yīng)力區(qū)的開切是順著眼側(cè)發(fā)育的，中切眼側(cè)逐漸隨著總面延長，向著開切的工作面發(fā)展，經(jīng)歷一個反復(fù)累積損傷的過程，巖梁的長度接近極限的跨距，下部拉應(yīng)破壞區(qū)得到了向上的發(fā)展動力，導(dǎo)致巖梁發(fā)生了厚度的變化，在剪切的作用下發(fā)生破壞，破斷點靠近切眼側(cè)，呈現(xiàn)前長后短的非對稱性。

5) 經(jīng)過對支架左右柱偏載現(xiàn)象承載力的分析，發(fā)現(xiàn)其工作阻力主要分布在支架升架過程中的左右柱腔內(nèi)，如果初撐起來的左右柱不一致，則不會達到支架的額定初撐力的壓力，需要進行注液，如果在支架的運行中出現(xiàn)漏液的情況，就會導(dǎo)致工作面老頂來壓系數(shù)的變化。從總體來看，工作面的頂板來壓強度不高，頂板的管理難度不大[5]。

4 結(jié)語

理論研究表明，在建立的頂板斷裂研究的前提下，經(jīng)過離層的間隙變小，頂板隨著開采面積的繼續(xù)增加,離層范圍、離層量達到一定跨距后,堅硬頂板將發(fā)生周期性斷裂。研究礦山工作面的頂板破斷的特性應(yīng)該對煤礦開采工作面的特征進行分析，并且讓機理的分析能夠經(jīng)過礦山壓力研究工作的支持，得到進一步的借鑒和參考。

[1] 張文陽.厚煤層上分層巷柱開采區(qū)殘煤復(fù)采工作面礦壓特征的研究[D].太原:太原理工大學(xué),2013.

[2] 王體衡.雙欣煤礦孤島工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和支護方法研究[D].青島：山東科技大學(xué),2015.

[3] 代猛猛.許廠煤礦膏體充填開采工作面礦壓規(guī)律[D].青島：山東科技大學(xué),2015.

[4] 張國政.煤礦開采工作面的礦山壓力研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2012(26):159.

[5] 仝峰,張召千,谷愷,等.孤島工作面小煤柱合理尺寸與支護研究[J].煤礦開采,2014(5):61-64.

Study on characteristics of mine pressure in coal mining face

YANG Chaoxing

(Zhongxing Coal Industry, Shanxi Coking Coal Fenxi Mining Industry Co., Ltd., Lvliang Shanxi 030500, China)

Based on the research of mining pressure and strata control theory, the characteristics of mine pressure in working face of coal mining are studied. The mine working face roadway observation and measurement provide technical support for law and phenomenon of supporting pressure in working face, before and after exploration. Through improving laboratory research methods and means, and all kinds of theories about the characteristics of mine pressure in working face of coal mining, the actual parameters, including parameter selection, process determination, the size of coal pillar, roadway layout, are demonstrated, providing evidence for the study of mine pressure in working face of coal mining. The mining characteristics of coal mining face are studied so as to provide reference for actual coal mining work.

coal mining; working face; mine pressure

2017-03-09

楊朝興，男，1988年出生，2012年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)采礦工程專業(yè)，助理工程師。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.04.46

TD323

A

1004-7050(2017)04-0132-02

煤礦工程