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      煤巖體力學性質(zhì)與采礦深度及沖擊地壓條件

      2020-04-08 11:07:30王萬亮
      黑龍江科學 2020年4期
      關(guān)鍵詞:深井煤體底板

      王萬亮

      (七臺河市不動產(chǎn)登記中心,黑龍江 七臺河 154600)

      1 煤巖體的力學性質(zhì)與采礦深度的關(guān)系

      隨著開采深度的不斷增加,深井巷道的穩(wěn)定必然成為影響井下生產(chǎn)的重要因素。巖層的自重應力、溫度及濕度等隨礦井開采深度的延伸而增大。盡管深部巖體的絕對強度很高,而因其上述諸因素的影響,也可能出現(xiàn)類似軟巖的問題,造成支護困難。因為礦井開采深度大,巷道圍巖周邊出現(xiàn)高應力集中,如果數(shù)值超過圍巖的強度,圍巖內(nèi)裂隙倍增的結(jié)果會造成圍巖體積的膨脹而被破壞。脹體向巷道空間推移,長期不能穩(wěn)定,擾動范圍較大,支架上的壓力增加,造成巷道支架折粱斷腿,冒頂塌方,使得生產(chǎn)系統(tǒng)被破壞。

      在煤礦生產(chǎn)實踐中,深井圍巖采準巷道的破壞方式主要有:中硬強度以下和層理較發(fā)育的圍巖,在各種壓力的共同作用下出現(xiàn)松動破壞、松脫壓力造成的支護失效。同時,軟弱巖石在集中壓力的長期作用下,出現(xiàn)的體積膨脹、流變變形造成支護失效。巷道的破壞,在開采淺部時,對同樣強度的巖石而言,破壞現(xiàn)象并非非常明顯。巷道位置深度是確定巷道穩(wěn)定性的因素,這也與頂、底板巖石的應力狀態(tài)息息相關(guān)。

      不同的采礦深度有著不同的煤巖力學性質(zhì),進而決定了各類礦壓特點。例如,采煤工作面前方開采煤層的變形;因其回采而形成的支承壓力的不同及范圍;工作面與采空區(qū)上方“粱”和“拱”的結(jié)構(gòu);巷道頂?shù)装寮皟蓭蛶r石采動影響的臨界深度;煤與瓦斯突出、沖擊礦壓出現(xiàn)的頻率;伴隨開采而出現(xiàn)的冒頂、底鼓、煤層擠出等現(xiàn)象,取決于煤巖的強度參數(shù),與采深有直接關(guān)系。

      第一,深度為400 m時,巷幫壓力超過了煤的平均抗壓強度,就會出現(xiàn)維護煤幫困難,越深煤被壓縮的程度越大。因其減少了巷幫頂、底板間的摩擦力及頂?shù)装逡平霈F(xiàn)的夾持力,同時距巷幫深處彈性區(qū)的彈性提高,更易于出現(xiàn)煤的突出,而這與構(gòu)造應力相關(guān)。

      第二,軟弱泥巖應力超限初次顯現(xiàn)的深度約為600 m,而砂巖則為900 m。從兩巖石的平均強度看,泥巖在14 00 m以下深度方可發(fā)生類似于巖石突出的應力超限。在砂巖中,當前開采深度內(nèi)一般不發(fā)生這種現(xiàn)象。

      第三,因其砂巖抗壓強度隨采深增加而增加的梯度大,所以在深井的開采中,采取有效措施和方法把巷道布置在堅硬的砂巖中。

      第四,在一些礦井及深井,煤巷的比例較大,因此隨采深的增加,避免煤巷片幫會成為深井開采中的主要問題。深井煤巷的支護必須加緊進行研究。

      第五,在同樣的煤系地層中,頂板發(fā)生斷裂的跨距隨著采煤深度的增大而減少,由于采深越大,煤壓的范圍越大,失控的跨距越大。所以,要通過現(xiàn)場的礦壓觀測,掌握好初次垮落、初次來壓及周期來壓步距,不可類比此礦淺部開采的礦壓參數(shù),以確保礦井安全。

      第六,在有軟底煤層中,大深度巷道的底鼓要比淺部巷道嚴重得多。

      2 與沖擊地壓密切相關(guān)的自然地質(zhì)條件

      從出現(xiàn)過發(fā)生沖擊地壓的煤層看,都有沖擊地壓現(xiàn)象的記錄;從煤層賦存狀況看,從薄煤層到特厚煤層,傾角可從近水平到急傾斜,煤層的走向變化有單斜的,有褶曲的;從煤層的瓦斯等級看,有高瓦斯的,有低瓦斯的,等等。發(fā)生沖擊地壓的煤層多種多樣。同時,沖擊地壓的出現(xiàn)也受其外部環(huán)境的影響。

      2.1 采煤深度

      采煤深度因素是沖擊地壓出現(xiàn)的外部因素。沖擊地壓的類型不同,通常出現(xiàn)沖擊地壓的臨界深度為200 m以上。

      東歐某國曾對此問題做過試驗研究。巷道周邊煤巖應力隨采深變化曲線如圖1所示。巷道周邊煤體應力隨采深變化情況見表1所列。

      表1 巷道周邊不同抗壓強度煤巖所受應力隨采深變化情況Tab.1 Stress of coal and rock with different compressive strength around the roadway changes with mining depth

      從煤的強度看,深度450 m左右,煤體遭到破壞;當σcm=20 MPa,深度超過610 m時,煤體遭到破壞;當σcm=25 MPa,深度超過750 m時,煤體將遭到破壞;當σcm=30 MPa,深度超過880 m時,煤體會遭到破壞。上述幾種情況的臨界深度充分說明,不同的煤體、臨界深度、煤體會遭到不同程度的破壞,為煤的擠出甚至突出提供條件。

      圖1 巷道周邊不同抗壓強度煤巖所受應力隨采深變化曲線Fig.1 Stress curve of coal and rock with different compressive strength around roadway with mining depth

      2.2 煤層頂?shù)装鍙姸?/h3>

      在頂?shù)装鍙姸雀叩臈l件下,開采后的懸露面積較大,頂?shù)装宓南鄬\動對煤體形成夾持作用,在煤體一定深度范圍內(nèi)形成較高支承壓力,促使煤體變形。同時,因頂?shù)装鍙姸容^高,變形量小,煤體中積聚的能量不易被頂?shù)装逵捎谄扑槎?,容易發(fā)生沖擊地壓。

      2.3 地質(zhì)構(gòu)造

      地質(zhì)構(gòu)造對沖擊地壓的出現(xiàn)具有較大的影響。當采掘接近大斷層時,可能出現(xiàn)強度較大的沖擊地壓,這是由于頂板巖粱被折斷后,失去或減少了傳遞力的聯(lián)系,易于出現(xiàn)應力集中和大范圍內(nèi)的頂板活動,此時出現(xiàn)沖擊地壓的強度也較大。

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