淺埋煤層礦壓顯現(xiàn)的基本規(guī)律

謝大平　付國政

摘要:神府東勝礦區(qū)是目前我國探明儲量最大的煤田,埋藏淺、上覆厚松散沙層是神東礦區(qū)煤層的典型賦存特征。但礦井初期開采實踐表明,煤層埋藏淺卻不一定礦壓顯現(xiàn)緩和。若支護不當則容易發(fā)生冒頂事故。

關鍵詞:淺埋煤層礦壓顯現(xiàn)支護

0 引言

神東礦區(qū)探明儲量大、煤質優(yōu),是西部煤田大開發(fā)的重要戰(zhàn)略要地。埋藏淺、上覆厚松散沙層是該礦區(qū)煤層的典型賦存特征。為掌握這種特殊條件下的頂板破斷和來壓規(guī)律,以尋求有效的頂板控制方法,我們先后對大柳塔C202普采工作面、1203綜采工作面、進口設備裝備的20601綜采工作面以及20604高產(chǎn)高效工作面進行了礦壓觀測,通過對這四個不同支護條件的長壁工作面的實測來認識淺埋煤層工作面的礦壓顯現(xiàn)的基本規(guī)律[1]。

1 礦壓顯現(xiàn)情況

神東礦區(qū)地層賦存特征屬于典型淺埋深煤層或近淺埋深煤層。神東礦區(qū)地層賦存的總特征是:煤層埋藏淺,頂板基巖薄,地表為厚沙土覆蓋層。在神東礦區(qū)開發(fā)的初期和中期,基本上為典型淺埋煤層或近淺埋深煤層[2]。

1.1 各工作面的礦壓顯現(xiàn)主要特點 這四個工作面的礦壓顯現(xiàn)情況簡單概括如下[3]:

1.1.1 大柳塔煤礦C202試采工作面是該礦區(qū)第一個長壁工作面,采高2.0m,覆巖中基巖厚20-50m,沙土載荷層厚15.0-30.0m,礦壓顯現(xiàn)主要特點如下:①老頂初次來壓步距為24m;周期來壓明顯,一般為6～9m。②來壓時頂板沿煤壁產(chǎn)生臺階下沉,下沉量達350～600mm,臺階下沉范圍沿工作面長度最大達70m (工作面長度為102m);③摩擦式金屬支柱不能夠平衡頂板壓力,不利于管理頂板。

1.1.2 大柳塔煤礦1203綜采工作面是該礦區(qū)第一個普通綜采工作面面,采高4.0m,覆巖中基巖厚15~40m,沙土載荷層厚15.0~35.0m,礦壓顯現(xiàn)主要特點如下:①工作面初次來壓頂板出現(xiàn)自工作面到地表沿煤壁的全厚度切落。工作面中部約90的范圍內(nèi)(工作面長度為150m)頂板沿煤壁切落,其中31m的范圍內(nèi)切落最為嚴重,頂板最大臺階下沉量達1000mm,工作阻力為3500 kN/架,液壓支架安全閥開啟率達100%,支架活柱下縮量達260mm,在液壓支架下架設3根液壓支柱才控制住了頂板繼續(xù)下沉,防止了支架大面積被壓死,礦壓顯現(xiàn)劇烈;②工作面周期來壓同樣為覆巖全厚整體切落,觀測期間4次周期來壓支架載荷急劇增加,安全閥大部分開啟,頂板淋水增大,部分支架油缸臌脹和脹裂;來壓步距最大15m,最小9.4m,平均12.0m;③初次來壓時,工作面和開切眼煤壁線對應的地表出現(xiàn)地塹,地塹落差為0.22,說明初次來壓覆巖移動直至地表,頂板基巖的破斷是全厚度切落,其切落線就沿工作面煤壁。周期來壓地表同樣出現(xiàn)地塹式臺階下沉,但臺階下沉位置不再在工作面煤壁線上方,而是在工作面支架的后端,其地塹式臺階落差達1.2m[4]。

1.1.3 大柳塔煤礦20601工作面為該礦區(qū)第一個高產(chǎn)高效工作面,采高4.0m,覆巖中基巖厚40~45,沙土載荷層厚23~55m,礦壓顯現(xiàn)主要特點為:①工作面選用德國進口的WS1.7-210/450型掩護式液壓支架,完全能夠平衡頂板壓力,因為支架絕大多數(shù)是在初撐力和85%額定工作阻力之間工作,基本頂來壓時支架平均工作阻力為額定工作阻力的89.4%,最大平均工作阻力為額定工作阻力的92.6%,這說明即使在基本頂來壓時支架額定工作阻力仍有富余;②工作面未出現(xiàn)象1203工作面那樣的臺階下沉,上覆基巖在煤壁處不再出現(xiàn)貫通上覆基巖全厚的切落;③工作面中部的頂板壓力大,而兩端相對較小。

1.1.4 大柳塔煤礦20604為該礦區(qū)產(chǎn)量最高的高產(chǎn)高效工作面,采高4.3m, 覆巖中基巖厚42.6,沙土載荷層厚56m,礦壓顯現(xiàn)主要特點如下:①工作面采用德國進口的WS1.7型掩護式液壓支架。來壓時,工作面中部大部分支架達到額定工作阻力,工作面出現(xiàn)微小臺階下沉;②初次來壓期間工作面來壓分布中部壓力明顯大于兩側。

1.2 淺埋煤層礦壓顯現(xiàn)的基本規(guī)律 下面對已有的C202普采工作面、1203綜采工作面、20601高產(chǎn)高效工作面和20604工作面高產(chǎn)高效工作面礦壓觀測結果進行對比分析,基本情況如表2.2所示,淺埋煤層礦壓顯現(xiàn)具有如下基本規(guī)律:①淺埋煤層工作面礦壓顯現(xiàn)的突出特點是頂板基巖沿全厚切落,基巖破斷角較大,破斷直接波及地表。來壓期間有明顯的頂板臺階下沉和動載現(xiàn)象;②典型的淺埋煤層工作面頂板為單一關鍵層,載荷層厚度較大,老頂巖塊不易形成穩(wěn)定的砌體梁結構;③工作面來壓分布為中間大兩端小,符合板破斷特征。④基巖與載荷層厚度之比JZ(以下簡稱基載比)對來壓強度和顯現(xiàn)特征有重要影響。當JZ<0.8時,工作面都出現(xiàn)了頂板沿煤壁臺階下沉,而當JZ>0.8時則沒有出現(xiàn)頂板臺階下沉。⑤加快推進速度,來壓步距增大,減小了老頂臺階巖梁的塊度,減緩了頂板載荷傳遞,從而提高了結構的穩(wěn)定性和自承能力,有利于實現(xiàn)高產(chǎn)高效。

2總結

以上分析亦說明了工作面支護狀況對頂板的影響:用金屬摩擦支柱支護頂板的C202工作面初次來壓和周期來壓都出現(xiàn)了明顯的臺階下沉;1203工作面采用國產(chǎn)支架(3500kN/架),也出現(xiàn)了臺階下沉現(xiàn)象;20601工作面和20604工作面采用進口大噸位支架,工作面臺階下沉明顯減弱或消失,說明合理提高支架阻力可以有效的控制頂板臺階下沉。

注:基載比JZ=基巖厚度/載荷層厚度;1203工作面周期來壓JZ∈(1,1.5)

參考文獻:

[1]黃慶享.淺埋煤層長壁開采頂板控制研究:[學位論文].徐州:中國礦業(yè)大學.1998.

[2]隋惠權,王忠林.覆巖離層注漿控制地表沉降技術的理論與實踐.巖土工程學報.2001.23(4):510~512.

[3]李文平等.陜北榆神府礦區(qū)保水采煤工程地質條件研究.煤炭學報.2000.23(5):449~454.

[4]張文義.淺埋深、薄基巖、厚松散含水層下煤層綜合機械化開采防治水技術應用.中國煤田地質.2004.16(4):39~41.