特厚煤層綜放開(kāi)采覆巖結(jié)構(gòu)及礦壓顯現(xiàn)特征分析

李松茂

(大同煤礦集團(tuán)鐵峰煤業(yè)公司 增子坊煤礦，山西 大同 037000)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，煤礦開(kāi)采逐步朝著綜合機(jī)械化的方向發(fā)展，針對(duì)特厚煤層，主要有三種開(kāi)采方法，分別為綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采、一次采全高開(kāi)采以及分層開(kāi)采[1-2]。其中分層開(kāi)采由于其弊端較多，已經(jīng)被逐漸淘汰，目前多采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采以及一次采全高開(kāi)采，且兩種方法各有優(yōu)點(diǎn)[3]。綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采有著開(kāi)采效率高、采出率大、工作面推進(jìn)快的優(yōu)點(diǎn)，但這種開(kāi)采方法往往頂板活動(dòng)方式更劇烈，使得頂板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的變化，因此對(duì)特厚煤層綜放開(kāi)采的頂板結(jié)構(gòu)和礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行研究，對(duì)工作面實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)有著重大的意義[4-5]。

1 工程背景

大同煤礦集團(tuán)鐵峰煤業(yè)公司增子坊煤礦5300工作面，當(dāng)前主采煤層為5號(hào)煤，煤層厚度為9.50～12.73 m，平均11.5 m，煤層傾角為0～5°，平均3°，屬于近水平煤層，在工作面開(kāi)采范圍內(nèi)，煤層賦存較為穩(wěn)定，厚度變化較小。工作面地表標(biāo)高為1 432～1 413 m，工作面標(biāo)高為1 309.3～1 247 m，平均埋深為150 m。工作面傾斜長(zhǎng)度為150 m，推進(jìn)長(zhǎng)度平均為1 314 m，采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采方式，采高為3.2 m，放煤高度為8.3 m。5300工作面布置ZF9000/18/35型低位放頂煤液壓支架96架，ZFG10000/23/37H型過(guò)渡液壓支架7架，并布置一組ZTZ16000/21/35F型端頭支架，維護(hù)膠帶巷與工作面交匯處的頂板。工作面頂?shù)装逯鶢?，如圖1所示。

圖1 頂?shù)装寰C合柱狀

2 工作面頂板結(jié)構(gòu)分析

在工作面采場(chǎng)的頂板巖層中，存在有對(duì)部分或者整個(gè)巖層進(jìn)行支承的完整巖層，此類(lèi)巖層通常稱(chēng)為關(guān)鍵巖層。工作面頂板的關(guān)鍵巖層，對(duì)礦壓的顯現(xiàn)起著主導(dǎo)性的作用，關(guān)鍵層一般須滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：

1) 變形條件。即該巖層發(fā)生變形時(shí)，其撓度變形大小要小于位于該巖層下部的巖層，通常其下部巖層會(huì)與該巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象，用公式表達(dá)為：

q1/n+1

(1)

(2)

式中：q1/n+1為第n+1層巖層對(duì)第一層巖層的載荷，MPa；q1/n為第n層巖層對(duì)第一層巖層的載荷，MPa；Ei為第i層巖層的彈性模量，MPa；hi為第i層巖層的厚度，m；γi為第i層巖層的容重，kN/m3。

2) 強(qiáng)度條件。即當(dāng)該巖層為關(guān)鍵層時(shí)，其下方巖層發(fā)生垮落的步距要小于該巖層。一般將巖層按照固支梁進(jìn)行計(jì)算，得巖層垮落步距的計(jì)算公式為：

(3)

式中：li為第i層巖層的垮落步距，m；σi為第i層巖層的抗拉強(qiáng)度，MPa。

5300工作面頂板巖層主要有2層，分別為直接頂?shù)纳百|(zhì)泥巖和基本頂?shù)拇稚皫r，將煤層上方直接頂視為第一層巖層，砂質(zhì)泥巖容重為2.2×103kN/m3，彈性模量為1.2×103MPa，抗拉強(qiáng)度為2.7 MPa；粗砂巖容重為2.4×103kN/m3，彈性模量為2.9×103MPa，抗拉強(qiáng)度為5.1 MPa，對(duì)各巖層的載荷及垮落步距進(jìn)行計(jì)算，得q1=19.78 MPa，q1/2=1.57 MPa；l1=4.4 m，l2=54.9 m，因q1/2l1，即可判定煤層上方基本頂粗砂巖為關(guān)鍵層。

由于工作面采用放頂煤開(kāi)采方式，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)頂板巖層分布情況，在放落工作面頂煤后，直接頂會(huì)跟隨發(fā)生垮落充填采空區(qū)，而基本頂巖層以鉸結(jié)巖梁的結(jié)構(gòu)存在，當(dāng)其發(fā)生破斷時(shí)，會(huì)造成工作面的來(lái)壓，由于其厚度較大，其垮落方式呈現(xiàn)分層垮落的情況，易因?yàn)楣ぷ髅鎭?lái)壓步距大，在發(fā)生來(lái)壓時(shí)出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)劇烈的情況。因此有必要對(duì)該工作面采場(chǎng)的礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而在工作面發(fā)生來(lái)壓時(shí)采取有效的措施，對(duì)頂板進(jìn)行管理。

3 工作面礦壓顯現(xiàn)特征分析

3.1 礦壓觀測(cè)方法

為了解特厚煤層綜放開(kāi)采工作面開(kāi)采過(guò)程的礦壓顯現(xiàn)特征，在5300工作面自開(kāi)切眼開(kāi)始推進(jìn)200 m范圍內(nèi)，采用GPD60型煤礦頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的綜采支架工作阻力監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，對(duì)液壓支架的工作阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，從而分析其礦壓規(guī)律。

將安裝在液壓支架上的壓力分機(jī)所測(cè)的壓力值，通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)傳輸?shù)降孛嬗?jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷在線(xiàn)監(jiān)控。在工作面設(shè)20個(gè)壓力分點(diǎn)，從5號(hào)支架開(kāi)始安設(shè)，安設(shè)位置分別在5號(hào)、10號(hào)、15號(hào)、20號(hào)、25號(hào)、30號(hào)、35號(hào)、40號(hào)、55號(hào)、60號(hào)、65號(hào)、70號(hào)、85號(hào)、90號(hào)、94號(hào)、99號(hào)、102號(hào)支架上。另在未安裝自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的支架上安裝數(shù)顯壓力表，對(duì)前柱、后柱的阻力變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證支架的工作狀況良好。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分析軟件對(duì)工作面支架壓力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要包括工作面支架循環(huán)工作阻力和工作面初次來(lái)壓、周期來(lái)壓步距、強(qiáng)度等，以此確定綜采工作面頂板的活動(dòng)規(guī)律，預(yù)測(cè)頂板來(lái)壓的規(guī)律和強(qiáng)度，以便采取合理的推進(jìn)速度和方式，保證工作面內(nèi)設(shè)備和人員的安全，提高生產(chǎn)效率。

3.2 采場(chǎng)礦壓規(guī)律分析

通過(guò)對(duì)工作面液壓支架工作阻力數(shù)據(jù)的采集，將采集到的支架工作阻力進(jìn)行匯總分析，得到工作面液壓支架平均工作阻力與推進(jìn)距離的關(guān)系，如圖2所示。

從圖2可以看出，工作面自開(kāi)切眼開(kāi)始正常推進(jìn)過(guò)程中，液壓支架的平均工作阻力分布在5 000～5 700 kN之間，當(dāng)工作面推進(jìn)至31.6 m時(shí)，液壓支架的工作阻力突然增大，此時(shí)平均工作阻力達(dá)到7 000 kN左右，在繼續(xù)向前推進(jìn)3～5 m后平均工作阻力明顯降低，恢復(fù)至正常推進(jìn)水平。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)至200 m的范圍，工作面液壓支架平均工作組力共出現(xiàn)過(guò)6次明顯增大的情況，其對(duì)應(yīng)的工作面推進(jìn)距離分別為56.2 m、82.3 m、106.9 m、131.2 m、157.1 m、184.2 m，其持續(xù)距離在4～6 m范圍內(nèi)，液壓支架平均工作阻力分布在6 900～7 500 kN。

圖2 液壓支架平均工作阻力曲線(xiàn)

由此得出，工作面的初次來(lái)壓步距約為31.6 m，周期來(lái)壓步距平均為25.4 m，工作面正常推進(jìn)中，液壓支架的平均工作阻力約為5 300 kN，當(dāng)工作面發(fā)生來(lái)壓時(shí)，液壓支架的平均工作阻力約為7 250 kN，動(dòng)載系數(shù)約為1.39，其來(lái)壓強(qiáng)度較大。工作面液壓支架型號(hào)為ZF9000/18/35型，其最大工作阻力為9 000 kN，因此工作面發(fā)生來(lái)壓時(shí)未超過(guò)液壓支架的承受能力，可滿(mǎn)足工作面的正常推進(jìn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)對(duì)5300工作面頂板巖層的結(jié)構(gòu)分析可知，對(duì)工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律起主導(dǎo)作用的主要為基本頂粗砂巖巖層，其為主要關(guān)鍵層，在工作面推進(jìn)過(guò)程中呈現(xiàn)鉸結(jié)巖梁的結(jié)構(gòu)，當(dāng)其發(fā)生破斷時(shí)會(huì)造成工作面的劇烈來(lái)壓。

2) 通過(guò)對(duì)工作面液壓支架平均工作阻力的監(jiān)測(cè)得出，工作面的初次來(lái)壓步距約為31.6 m，周期來(lái)壓步距平均約為25.4 m，當(dāng)工作面發(fā)生來(lái)壓時(shí)，動(dòng)載系數(shù)約為1.39，工作面發(fā)生來(lái)壓時(shí)強(qiáng)度較大，液壓支架平均工作阻力分布在6 900～7 500 kN，但未超過(guò)液壓支架的承受能力。