厚松散含水層下采場(chǎng)厚硬直覆頂板控制技術(shù)研究*

劉結(jié)高

(淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司煤業(yè)公司，安徽 淮南 232001)

0 引言

薄基巖煤層具有埋藏淺、勘探程度高、生產(chǎn)系統(tǒng)齊全、開采成本低等優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)兩淮礦區(qū)新、老礦井持續(xù)增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要資源。但是，由于受煤層開采以及采場(chǎng)上方高水壓的共同影響，造成采場(chǎng)支架壓死、煤壁片幫、頂板突水等一系列災(zāi)害事故，極大的增加了生產(chǎn)成本，影響了工作面安全回采。針對(duì)類似條件，國(guó)內(nèi)學(xué)者已開展深入分析研究，并得出相應(yīng)的研究結(jié)果[1-3]。但通過合理的強(qiáng)制放頂步距，從而降低薄基巖煤層頂板初次來(lái)壓顯現(xiàn)的相關(guān)研究較少，特別是松散含水層下砂巖直覆頂板條件下的研究更少。此次理論研究針對(duì)淺埋煤層厚硬頂板直覆采場(chǎng)，通過強(qiáng)制放頂?shù)姆椒ǎ云趯?duì)降低工作面礦壓顯現(xiàn)提供理論指導(dǎo)。具體以淮南礦業(yè)集團(tuán)1602(3)工作面為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)化試驗(yàn)等方法，確定合理的工作面頂板控制技術(shù)。

1 工作面概況

1.1 地質(zhì)概況

淮南礦業(yè)集團(tuán)潘一煤礦1602(3)工作面主采13#煤，煤層厚度1.4～4.9 m，平均3.4 m，過斷層地點(diǎn)煤厚不一；煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；煤巖層產(chǎn)狀為189°～221°，煤層傾角2°～8°，平均為6°，煤層頂部以片塊狀結(jié)構(gòu)為主，底部以粉沫結(jié)構(gòu)為主。工作面位于F5逆斷層上盤與F8正斷層下盤之間，掘進(jìn)期間工作面共揭露15條斷層。1602(3)高普面煤層頂?shù)装鍘r性情況見表1。

1.2 回采概況

為了提高1602(3)綜采面采出量，使防水煤柱降到最小，實(shí)際最小防水煤柱為44.3 m。工作面配套實(shí)際工作載荷7 200 kN液壓支架(ZZ6400/18/38型)100架，采煤機(jī)(MG650/1620型)1臺(tái)，刮板輸送機(jī)(SGZ-1000/2×700型)1臺(tái)，運(yùn)順安裝型轉(zhuǎn)載機(jī)(SZZ1000/400)1部(含PCM250型破碎機(jī))，皮帶機(jī)(SSJ-1200/2×200型)1部。工作面回采至44 m時(shí)，基本頂發(fā)生初次來(lái)壓，支架壓力為42 MPa，安全閥開啟值為36 MPa，中部液壓支架安全閥出現(xiàn)大面積卸液現(xiàn)象，支架活柱伸出量大大減小，此后工作面停滯不前，其中，有35架出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，主要損壞形式為前柱缸壓死、后柱耳座開裂、前后柱柱窩錯(cuò)動(dòng)等。隨后采用臥底等措施，但是立柱隨即被壓死，導(dǎo)致壓架。

2 頂板控制技術(shù)研究

2.1 支架壓架原因分析

隨著工作面的回采，老頂巖層發(fā)生斷裂，當(dāng)液壓支架額定工作阻力或工作面前方的煤體失去了對(duì)老頂巖層運(yùn)動(dòng)的控制能力時(shí)，老頂巖塊在自重和上覆巖層的作用下，其末端將沿它下面的空間自由運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生圍繞以其前端下方煤巖體為支點(diǎn)，以老頂巖層下層面斷裂線為軸的轉(zhuǎn)動(dòng)下沉現(xiàn)象，這是造成回采工作面來(lái)壓運(yùn)動(dòng)的根本原因，按照其原理建立如圖1所示的力學(xué)模型。

1-原始應(yīng)力區(qū)；2-彈變應(yīng)力區(qū)；3-殘余應(yīng)力區(qū)；4-塑性破壞區(qū)；εd-煤層極限彈性壓縮量；ymax-老頂巖層的極限擾度；Sb-采空區(qū)老頂巖塊頂板下沉量；L-老頂巖塊長(zhǎng)度；Lc-來(lái)壓步距；Sm-老頂巖塊末端的下沉量；Sx-老頂巖塊來(lái)壓完成時(shí)在工作面上所形成的下沉量圖1 老頂巖層斷裂機(jī)理及斷裂位置

隨著工作面的回采，當(dāng)老頂巖塊由于自重對(duì)巖塊前端的正力矩高于液壓支架額定載荷對(duì)該老頂巖塊前端的反力矩時(shí)，老頂巖塊形成力矩差，隨即繞巖塊前端點(diǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)下沉，從而工作面產(chǎn)生來(lái)壓，巖塊來(lái)壓時(shí)的力矩表達(dá)式如下

(1)

式中：Pre—沿走向方向上，每米支架控制老頂巖塊移動(dòng)所具備的工作載荷；Q—沿傾向方向上每米老頂巖塊的重力，Q=Lhγ；h—老頂巖層高度；γ—老頂巖層容重；L—老頂巖塊長(zhǎng)度。

(2)

(3)

由公式(3)可知，支架工作阻力Pre與L、h、Sm有關(guān)，當(dāng)老頂斷裂長(zhǎng)度越長(zhǎng)、采高越大時(shí)，工作阻力越大。由于工作面頂板條件為厚硬頂板，所以其斷裂長(zhǎng)度較長(zhǎng)，且上方又是松散層，沒有關(guān)鍵層承擔(dān)上覆巖層，一旦頂板斷裂，上覆巖層會(huì)整體垮落，從而破壞了采空區(qū)、支架以及煤壁產(chǎn)生的力學(xué)體系，礦壓作用強(qiáng)烈。頂板來(lái)壓作用到支架頂梁，來(lái)壓大于支架的工作載荷，導(dǎo)致安全閥自動(dòng)卸液(現(xiàn)場(chǎng)壓力表顯示壓力值為42 MPa，安全閥開啟壓力為36 MPa)，支架立柱不能起到有效的支撐作用，從而部分支架出現(xiàn)壓死現(xiàn)象。

2.2 強(qiáng)制放頂技術(shù)

1602(3)工作面初次回采壓架失敗后，對(duì)支架進(jìn)行了回撤，并經(jīng)研究重新制定了1602(3)復(fù)采設(shè)計(jì)方案，為了區(qū)別之前的綜采工作面，將復(fù)采工作面稱之為改造工作面。改造工作面系老頂直覆，老頂為中砂巖及粉細(xì)砂巖；為防止工作面采空區(qū)上方頂板過長(zhǎng)，減輕老頂來(lái)壓時(shí)對(duì)工作面的影響，在前人研究的基礎(chǔ)上[4-7]，根據(jù)本工作面的地質(zhì)概況，采取對(duì)厚硬直覆頂板進(jìn)行松動(dòng)爆破的方法處理采空區(qū)懸頂。探測(cè)1602(3)工作面頂板巖性為如圖2(a)所示，探孔位置如圖2(b)所示。

a-工作面頂板巖性；b-探孔位置圖2 工作面巖性柱狀圖

在工作面采空區(qū)側(cè)第三排支柱向煤壁0.2 m處頂板進(jìn)行打眼，炮眼采用單排眼直線式布置方式，炮眼深度1.5～2.2 m，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況適當(dāng)調(diào)整炮眼深度；眼距沿傾斜方向2.0～3.0 m(下端頭可根據(jù)情況加密炮眼)，炮眼的仰角為60°，根據(jù)前人研究成果[8-9]及上述建立的力學(xué)模型，將強(qiáng)制放頂間距定為10 m，即工作面每推進(jìn)10 m時(shí)即進(jìn)行一次強(qiáng)制放頂，如圖3所示。

a-平面圖；b-剖面圖圖3 強(qiáng)制放頂炮眼參數(shù)布置示意圖

2.3 工作面回采礦壓顯現(xiàn)特征的數(shù)值模擬研究

為了掌握1602(3)改造工作面頂板運(yùn)動(dòng)及礦壓顯現(xiàn)基本規(guī)律，指導(dǎo)工作面頂板管理、安全生產(chǎn)，依據(jù)1602(3)改造工作面的地質(zhì)條件借助離散元數(shù)值模擬軟件(UDEC)對(duì)1602(3)高普面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及工作面支護(hù)質(zhì)量進(jìn)行全面的分析[10-11]。表2為各巖層力學(xué)參數(shù)。

表2 各巖層力學(xué)參數(shù)

在端面距、初撐力及其它條件都不變的情況下，分別模擬方案1、2、3、4(單根支柱額定工作阻力分別為150、200、250、300 kN，初撐力都為額定工作阻力的50%)，模擬結(jié)果如圖4所示。

a-每根支柱工作載荷P=150 kN；b-每根支柱工作載荷P=200 kN；c-每根支柱工作載荷P=250 kN；d-每根支柱工作載荷P=300 kN圖4 支柱工作阻力對(duì)工作面頂板穩(wěn)定性的影響

由圖4分析可得，當(dāng)每根支柱工作載荷為150 kN時(shí)，工作面產(chǎn)生煤壁片幫、頂板冒落現(xiàn)象；當(dāng)每根支柱工作載荷為200 kN時(shí)，工作面后排支柱被壓倒；當(dāng)每根支柱工作載荷為250 kN時(shí)，工作面礦壓顯現(xiàn)不明顯，采場(chǎng)上覆巖層得到有效控制。但后排支柱產(chǎn)生輕微傾斜，支柱上方存在破碎巖塊，增大了回柱工作的難度；當(dāng)每根支柱工作載荷為300 kN時(shí)，采場(chǎng)頂板沒有發(fā)生破壞變形，后排支柱穩(wěn)定性良好。因此，在同等條件情況下，支柱額定工作載荷與工作面頂板冒落程度呈反比，與頂板穩(wěn)定性呈正比。

按照1602(3)改造工作面安全生產(chǎn)要求，工作面每根支柱工作載荷應(yīng)大于250 kN，工作面將不會(huì)出現(xiàn)支柱壓倒及頂板冒落等現(xiàn)象。1602(3)高普面選用的是單體液壓支柱(DZ22-30/100型)結(jié)合金屬鉸接頂梁(HDJA-1000型)支護(hù)頂板，其額定工作載荷為300 kN，可確保工作面的安全回采。

3 工況實(shí)測(cè)

沿工作面傾向方向布置測(cè)站，其間距為10 m，觀測(cè)內(nèi)容以測(cè)站內(nèi)的支柱為觀測(cè)線，重點(diǎn)以前排和末前排支柱為觀測(cè)對(duì)象。沿工作面從下順槽向上依次用1、2、3、……、16表示觀測(cè)排，隨著采場(chǎng)推進(jìn)，依次回撤并向前支設(shè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示，并將其中一組觀測(cè)數(shù)據(jù)生成曲線如圖6所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置圖

圖6 支柱工作阻力的平均值沿工作面方向的變化曲線

由圖6可知，支柱工作阻力沿工作面方向分布極不均勻，且工作阻力相對(duì)較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于本工作面支柱額定工作阻力34.6 MPa，說(shuō)明本工作面支柱支護(hù)初撐力偏低或支護(hù)系統(tǒng)剛度偏大。但出于對(duì)工作面安全生產(chǎn)考慮，這樣的支護(hù)剛度確保了上提面的支護(hù)效果，對(duì)工作面安全生產(chǎn)起到了保障作用。

4 結(jié)論

(1)建立了厚硬頂板失穩(wěn)的力學(xué)模型，得出了支架工作阻力的關(guān)系式，支架工作阻力隨著頂板強(qiáng)度、采高的增大而增大，當(dāng)頂板強(qiáng)度、采高達(dá)到一定的極值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致液壓支架立柱無(wú)行程，從而壓架。

(2)確定了強(qiáng)制放頂參數(shù)，即間排距為2.5 m×10 m；對(duì)厚硬頂板采用強(qiáng)制放頂后，人為縮短了直覆老頂?shù)钠茢嗑啵瑴p小了砂巖頂板破斷時(shí)對(duì)下方支護(hù)體的作用力。

(3)采用數(shù)值模擬軟件模擬分析不同支護(hù)阻力的單體液壓支護(hù)對(duì)頂板的支護(hù)作用，確定了采用強(qiáng)制放頂措施后的單體液壓支柱型號(hào)。

(4)由現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)化試驗(yàn)可知，采用強(qiáng)制放頂措施后，砂巖直覆頂板得到較好的控制，保證了工作面安全高效回采。