急倾斜中厚煤层软底综采采场矿压规律及其控制研究

急倾斜中厚煤层软底综采采场矿压规律及其控制研究

狄世平

新疆焦煤（集团）有限责任公司830025

摘要：急倾斜煤层形成时，由于受地质构造运动的强烈挤压，煤层倾角变陡，断层及褶曲增多，节理及裂隙一般较发育，煤层赋存条件变化较大，因此在回采过程中经常发生顶板冒顶事故。如果底板为软岩，若支架支护阻力不到位，底板极易产生滑移破坏。加之，由于煤层倾角过大，支架的支撑能力较小，开采过程中必然导致支柱或液压支架的下滑和倾倒。

关键词：急倾斜采场；软岩底板；数值模拟；抛物线移动拱

1.矿山压力及其控制的研究现状

19世纪末到20世纪初，采场矿压假说出现，开始利用较简单的力学原理解释实践中出现的一些矿压现象，具有代表性的是巷道上方能形成自然平衡拱的“压力拱假说”。

20世纪30年代至50年代以连续介质力学理论为基础，把巷道周围直到地表的整个岩体作为连续的各向同性的弹性体来进行研究和建立假说，利用弹性力学理论研究矿山岩石力学问题。本世纪60年代至80年代初是采场顶板结构学说百花齐放的阶段，也是“砌体梁”结构学说的形成的时期。各学派学说的争鸣，促进了顶板结构学说的发展与成熟，其中主要有“压力拱假说”和“悬臂梁假说”，以及比利时学者A.拉巴斯提出的“预成裂隙假说”和原苏联学者H.库兹涅佐夫提出的“铰接岩块假说”。八十年代初是我国矿压理论研究最活跃的时期，“砌体梁假说”得到全面的发展，完成了砌体块结构分析。进一步又对老顶进行薄板的板破断分析，建立了老顶空间运动与巷道来压预报的关系。在基础上，钱鸣高院士提出了采场围岩大、小结构，形成了比较完整的采场矿压理论。所谓“大结构”是指采场上覆岩层破断后形成的结构，由于这一结构的存在，采场支架所受的力仅仅是其上覆盖岩层总重量的一部分；所谓“小结构”，则是指控顶区内“支架—围岩”相互作用形成的结构，对这一结构的认识及控制，是保证工作面支架正常工作，实现高效采煤的基础；“小结构”在“大结构”下形成并受其作用[1]。这一时期，山东矿业学院宋振骐院士在长期岩层控制实践的基础上，特别是老顶来压预测预报的基础上提出了“传递岩梁假说”。宋振骐院士提出了“限定变形”的观点，认为支架在一定的“位态方程”下工作，并可通过限定变形，使老顶在一定层位形成平衡。还提出了“内外应力场”，通过对开采中内外应力场的形成及变化的认识和观测，可以成功地预报老顶来压。自80年代后期至今，是砌体梁结构理论的大实践与大发展时期，也是砌体梁结构理论由力学模型向体系化和定量化的发展阶段。钱鸣高院士提出的砌体梁理论已得到的广泛应用，并在实践中不断的完善和发展。进入90年代后，研究又取得了重大的突破，砌体梁理论更加完善，给出了砌体梁结构受力的理论解和岩层内部移动曲线定量解；建立了砌体梁关键块体的“S—R”稳定理论；证明了顶板下沉与支架载荷的P—ΔL双曲线关系；建立了采场矿山压力整体力学模型，阐明了支架受力来源问题形成了岩层控制的关键层理论，黄庆享教授将关键层理论运用到浅埋煤层顶板控制中，建立了浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制理论，丰富了岩层控制关键层理论。

2.急倾斜煤层开采采场上覆岩层的运动规律

急倾斜煤层开采后岩层移动的主要特征与缓斜煤层的开采条件下岩层移动的主要特征存在着显著的不同，覆岩破坏范围的最终形态也与缓倾煤层开采有着较大的区别。急倾斜煤层开采后，围岩移动和破坏的影响范围，与缓倾斜或倾斜煤层比较，将向采空区上部边界偏移，覆岩破坏的范围主要在采空区的中上部。岩层在自重的作用下，直接顶顶板岩层并在产生法向弯曲的同时，易受到沿层理面法向分力的作用而产生沿层理面向采空区方向的移动和滑落。随着倾角的增大，这种影响更为突出：当倾角大于55°时，冒落带和裂隙带的最大高度一般可波及采空区上部边界，同时直接顶顶板上端易被拉断或剪断，在采空区的上端易形成一个梁结构支撑其正上方的覆岩，在直接顶顶板的中段易形成悬臂的板，其中下部由于冒落矸石的充填，对顶板起到支撑作用。同时采空区上部未采的煤层直至地表，由于煤层的冒落或沿底板滑动，易产生冒落坑和塌陷漏斗。整个采场覆岩形成不同形态的类似抛物线拱平衡力学支撑结构。开采急斜煤层的采区划分、采区巷道的组成与布置原则和缓斜煤层基本相同。不同的是采区开采范围小、采区巷道系统比较复杂，尤其是采煤巷道布置，随着煤层倾角或采煤方法的改变而有很大的区别。

（1）采区参数

采区走向长度因受地质构造变化、开采技术条件、采煤方法和巷道维护等因素的影响，一般走向长度比较短。双翼采区只有400-600m。随着采区集中联合布置的推广应用，采区走向长度呈加大的趋势。

采区内沿倾斜一般只划分3-4个区段，个别情况可达6个以上。区段内垂高取决于煤层的倾角、层间距、岩层性质和采煤方法等因素，一般为20-40m。采区生产能力受采区可采储量、工作面产量和通风条件的限制都比较小，所以，开采急斜煤层的矿井，大多属于中、小型矿井。

（2）.采区上山布置

开采单一煤层或煤层群分层时，采区内可沿煤层布置3-4条倾斜上山，分别用作采区溜煤、通风、行人、运料或溜矸石。上山间距10m左右，沿倾斜10-15m用联络巷连通。

倾斜上山在生产过程中，容易发生坠眼或卡眼事故，为此应将上山沿煤层布置成30°-35°的伪斜折返式。折返上山常用隔板一分为二，一部分为通风行人道；另一部分敷设溜槽运送煤炭。这种布置方式可以充分利用巷道断面，减少巷道掘进工程量。采用折返上山，掘进技术比较简单、施工与生产比较安全。但这种上山形式由于折返多，难以实现运输机械化，有时需要另掘一条运料上山；其次增大了上山保护煤柱，不仅减少了采区沿走向的有效开采长度，增加了煤炭损失，还给工作面的初采或末采工作带来一定的困难。从而使伪斜折返上山的应用范围，受到了一定的限制。

随着急斜煤层采煤方法的不断发展和采区巷道联合布置的应用，沿煤层的倾斜上山或折返上山，都不适应采区生产能力的需要。不少矿区因地制宜采用在煤层底板岩层中，掘进伪斜岩石上山或穿岩上山与垂直溜煤眼相结合的布置形式，从而改善了运输系统，提高了采区的生产能力。

（3）.发展前景

急斜煤层采煤工艺仍然包括：落煤、装煤、运煤、支护与采空区处理。但由于煤层倾角增大，各采煤工序的操作方法与要求则不完全相同。急斜煤层采煤工作面落煤，一般是采用爆破法，也有采用风镐或机械等方法的。采落的煤可以沿煤层底板自行滑落，从而减少了工作面装运煤炭的设备与工序。但是，煤块自由下滑容易砸伤人，也易冲倒支架，还会引起煤尘飞扬，污染工作环境，影响工人身体健康。另外，采用人工或爆破落煤的效率低、安全没有保障，资源回收率也较低。

当煤层倾角很大时，顶板岩层沿倾斜方向的分力也增大，而沿垂直岩层方向的分力减小，从而使支柱的支承载荷减小、顶板的垮落步距加大，使工作面的控顶距与放顶距增加，放顶次数减少；顶板岩石垮落后，能够自行下滑充实采空区，支撑上覆顶板岩层，故工作面压力减小，不会出现明显的周期来压。但是，随着顶板下滑力的增加，支柱的稳定性降低，容易向下倾倒，工作面支护难度加大；采空区处理劳动强度大、机械化程度低、安全性很差；顶板岩石向下滑，造成采空区上段充填不实，致使工作面压力不均衡；当煤层倾角大于岩层移动角时，不仅顶板会垮落，而且底板也会发生移动或滑落。

结束语

总之，开采急斜煤层存在顶板管理难度大、机械化程度低、巷道系统复杂三个突出的问题。严重制约了急斜煤层开采时的产量、安全与经济效益。急斜煤层由于构造形态和产状的变化很大，不同条件煤层的开采技术与采煤方法也不相同，所以急斜煤层开采方法种类繁多。这些采煤方法按其采煤工作面布置不同，可分为直线式、台阶式、伪斜式与水平式。

参考文献：

[1].刘勇，郑伟.急倾斜煤层采煤方法优化探讨[J].煤炭工程，2009（10）：12-13.

[2]梁飞林.土朱矿井急倾斜煤层采煤方法改进[J].中国安全生产科学技术，2009，5（3）：134-138.

[3]段红民，胡喜明，巫仕振，等.薄及中厚急倾斜煤层采煤方法优化研究[J].煤炭科学技术，2008，36（2）：332-332.