綜采充填工作面頂板活動規(guī)律探討

郝寶生

(冀中能源股份有限公司邢臺礦,河北省邢臺市,054026)

冀中能源股份有限公司邢臺礦為解放礦區(qū)范圍內(nèi)的村莊及工業(yè)廣場建筑物、斷層、沖積層下大量呆滯煤炭資源,2008年,與中國礦業(yè)大學合作,試驗研發(fā)了“建筑物下綜合機械化充填采煤技術”,將地面矸石與粉煤灰等廢棄物直接充填到工作面的采空區(qū),并通過自夯式充填開采液壓支架對充填料進行夯實,增加充填率,從而有效抑制和減緩了頂板移動及控制地表變形量,取得較好的技術經(jīng)濟效果。

1 概況

“建筑物下綜合機械化充填采煤技術”在冀中能源股份有限公司邢臺礦7606充填工作面試驗應用。該工作面對應地面位置位于邢臺礦工業(yè)廣場西北部。礦區(qū)專用鐵路線和南三環(huán)公路從工作面上方穿過。工作面正上方是礦機修廠電器車間,以南分別是宿舍樓、機修車間、地面注漿站,距工作面水平距離最近點在80～140 m之間,地面標高+85 m,工作面標高-210～-250 m。

7606工作面位于東翼六采區(qū),東北部靠近7602工作面采空區(qū),西北部為F10斷層,南部距-210西大巷50 m,東部距井底車場100 m。工作面位于工業(yè)廣場保護煤柱線內(nèi)。工作面傾斜長度為50 m,走向長度為460 m,設計可采儲量為10.81萬t。

工作面所采煤層為2#煤層,煤層結構復雜,煤層傾角7～10°,平均傾角9°,煤容重1.8 t/m3,煤層平均厚度為5.79 m,工作面埋深為295～335 m,平均約為320 m。煤層中下部有一層夾矸,平均厚0.4 m,將煤層分為上下兩個自然分層,上分層平均厚2.79 m,下分層平均厚2.6 m,工作面區(qū)域內(nèi)煤層為一單斜構造。2#煤層屬于二類自燃煤層,自燃期為12～18個月,煤塵具有爆炸危險性,煤塵爆炸指數(shù)為32.75%～38.11%。瓦斯絕對涌出量為0.2m3/min,相對涌出量為0.02 m3/t。地溫、地壓正常。

2 頂板礦壓觀測方案的設計

2.1 觀測內(nèi)容及目的

邢臺礦7606綜采充填工作面采用電子測量在線監(jiān)測儀器,分別在支架、采空區(qū)、兩巷布置測點。采場礦壓監(jiān)測技術路線設計如圖1所示。觀測支架的工作阻力、初撐力的壓力變化、推進度與下沉量、充填體的應力、兩巷壓力,全面掌控頂板下沉、礦山壓力隨工作面推進的變化規(guī)律,全方位、全時段觀測采場礦山壓力顯現(xiàn)及礦壓活動規(guī)律的變化。

圖1 采場礦壓監(jiān)測技術路線設計圖

2.2 觀測方法

(1)支架壓力在線監(jiān)測設備。工作面支架采用在線壓力計、數(shù)字壓力計監(jiān)測壓力情況。共安裝6塊支架壓力在線監(jiān)測儀,標號1#、2#、3#、4#、5#、6#,按順序每隔9架支架安設一塊。

(2)充填體應力傳感器布置。在距離切眼15 m、65 m、105 m、165 m的位置沿工作面的傾向分別布置4組充填體應力傳感器。每組3個,標號為1#、2#、3#,其安裝位置分別為9#支架、16#支架和25#支架后,距離底板0.5 m。

(3)兩巷錨桿、錨索壓力傳感器的安裝。為分析充填開采對錨桿、錨索錨固力的影響,在兩巷共安裝了8只錨桿傳感器和8只錨索壓力傳感器。自切眼開始,兩巷中每隔50 m布置1組(1個錨桿、1個錨索壓力傳感器)。

(4)頂板離層儀的安設。在兩巷安裝了16臺頂板離層儀觀測頂?shù)装逡平?。自切眼開始,兩巷中每隔50 m布置1組,每組布置2臺。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 充填支架工作阻力實測結果與分析

根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù),并與傳統(tǒng)垮落法相比,可知綜采充填工作面所需支護強度明顯小于傳統(tǒng)綜采,對比數(shù)據(jù)見圖2。

(1)充填開采工作面支架工作阻力整體偏低,平均僅為2657～3252 kN,只相當于全部垮落法的65%,說明充填開采工作面采空面區(qū)充填體承擔了頂板的部分壓力,支架承載載荷減小。

(2)工作面開采以來,工作面2#、5#支架監(jiān)測儀出現(xiàn)最大工作阻力,且出現(xiàn)過安全閥開啟現(xiàn)象(出現(xiàn)在工作面推進到約80 m、130 m的區(qū)域)。分析認為該兩架監(jiān)測儀位于工作面兩端,此處沒有密實充填,充填體未能有效控制頂板運動,其頂板部分載荷由支架承擔,出現(xiàn)了靠近工作面兩巷區(qū)域部分支架壓力明顯高于工作面中部現(xiàn)象。

(3)每當工作面推進約30～40 m左右時,工作面支架壓力會出現(xiàn)整體明顯增高現(xiàn)象,但增高幅度遠小于垮落法開采,只有垮落法開采的30%,特別是距工作面超前支護段10 m左右的范圍內(nèi)更加明顯。分析其原因是基本頂內(nèi)各關鍵層發(fā)生了離層,使直接頂下沉速度發(fā)生變化,表現(xiàn)為直接頂對支架的壓力發(fā)生變化(壓力增高),增高幅度小于垮落法開采,說明基本頂并沒有發(fā)生大規(guī)模的斷裂。

圖2 傳統(tǒng)垮落法與充填法工作面支護強度對比

綜上所述,充填開采減弱了工作面的礦壓顯現(xiàn),充填體可有效控制頂板的運動。又由于支架、煤壁與矸石充填體(或破碎的直接頂)共同承載基本頂及其承載體,因而對支架的作用力減弱,所需的支護強度減小。

3.2 頂板離層變化規(guī)律分析

為分析兩巷頂板隨工作面的推進變化規(guī)律,分別在兩巷安裝16臺頂板離層儀,其監(jiān)測結果如圖3所示。

(1)在距切眼40 m范圍內(nèi),頂板離層值基本穩(wěn)定,變化緩慢。

(2)當距切眼48～57 m時,由于受工作面采動影響,頂板離層值迅速增大,運輸巷中的8#頂板離層儀在短時間內(nèi)增大至110 mm,說明此處頂板發(fā)生局部裂隙。

(3)距切眼60 m時,由于工作面充填體對上覆巖層的支撐作用,以及離層區(qū)上部巖層的繼續(xù)下沉,頂板離層區(qū)又迅速閉合。運料巷中7#頂板離層儀迅速增大至40 mm,但工作面推過之后離層值仍為25 mm,說明此處工作面頂板巖層由離層向充分壓實過渡。

圖3 頂板離層與工作面推進長度變化關系圖

(4)距切眼76～88 m時,7#頂板離層儀迅速增大至50 mm,直到工作面推過100 m以后,頂板離層區(qū)逐漸閉合。說明此處頂板巖層由于充填體的壓實變形增大,頂板巖層發(fā)生了較大的下沉變形,但隨著充填體最終壓實,頂板巖層又充分壓實閉合。

根據(jù)分析可知,充填工作面的超前影響范圍比常規(guī)開采要小,并且由于充填體的支撐作用,工作面頂板隨著工作面推進先后經(jīng)歷離層、閉合的過程。隨著工作面的推進,直接頂達到其垮落步距時發(fā)生垮落,由于矸石粉煤灰充填體與破碎直接頂?shù)乃槊浶?基本頂達到其垮落步距而發(fā)生垮落時與破碎的直接頂接觸,基本頂也發(fā)生下沉而與上部關鍵層發(fā)生離層,關鍵層在其上部覆巖的載荷作用下產(chǎn)生彎曲變形,但由于離層空間小,關鍵層及其承載體直接作用于其下的軟弱層,隨著變形量的增加,其下部軟弱層給予的支撐作用加強,從而限制了關鍵層的彎曲變形量,變形特征如圖4和圖5所示。

因此,充填綜采與傳統(tǒng)綜采相比,基本頂?shù)目迓洳骄嘣龃?覆巖變形空間減小,上部關鍵層發(fā)生的彎曲下沉變形量較小,一般情況下不會失穩(wěn)破斷,依然可以作為覆巖自重的承載主體。

3.3 充填體壓力實測分析

對充填體的壓力情況進行在線監(jiān)測,充填體壓力隨工作面的推進距離變化情況如圖6所示。

圖6 充填體壓力隨工作面的推進距離變化情況

(1)充填體壓力監(jiān)測儀均有壓力,其中最大為6.0 MPa,說明充填開采充填體對頂板的下沉起到了抑制作用。

(2)充填體壓力監(jiān)測儀在工作面后方2～5 m的范圍內(nèi)開始有壓力顯示。主要是由于隨著工作面的推進,工作面后方的頂板壓力由支架與煤壁承載,逐漸轉移至充填支撐體上。

(3)充填體壓力儀距工作面40 m時,最大壓力為6.0 MPa,距工作面15 m時,最大壓力僅為3.5 MPa。主要原因為前者處于較充分采動區(qū)域,后者由于距切眼距離較近,頂板部分載荷由支架和煤壁承擔。

3.4 運料巷巷寬移近量分析

在運料巷距工作面煤壁60 m處,布置一組測點,觀測運料巷寬隨著工作面的推進變形情況。測點采用煤電鉆在兩幫打眼然后安裝錨桿,以作觀測標記,用精確度為毫米的鋼卷尺觀測頂?shù)装逡平壳闆r,收集變形數(shù)據(jù)。運料巷巷寬隨工作面的推進變化情況如圖7所示。

圖7 運料巷巷寬與工作面推進量關系曲線圖

根據(jù)測站總體數(shù)據(jù)可得出:

(1)測站距離工作面20 m以外的范圍內(nèi),巷寬變形值基本穩(wěn)定,變化緩慢,變化幅度占總變形量的10%左右,說明在該范圍內(nèi)兩巷基本不受采動影響;

(2)當測站距離工作面20～15 m范圍時,由于受工作面采動影響,兩幫變形迅速增大,變化幅度占總變形量的70%左右;此階段達到變形最大峰值,說明此處頂板在礦山壓力作用下發(fā)生了離層;

(3)當測站距離工作面15～0 m處,變形量小,變化幅度占總變形量的20%左右。巷道變形緩慢,分析認為巷道進入超前支護階段,測點距工作面越近支架支護能力增強,控制了直接頂與老頂?shù)南鲁?產(chǎn)生了離層閉合現(xiàn)象。

矸石充填綜采與傳統(tǒng)綜采相比,基本頂?shù)目迓涮卣魇艹涮?、破碎直接頂?shù)闹巫饔?其給予支架、煤壁等的動載系數(shù)將減小,工作面的礦壓顯現(xiàn)特征不明顯。

4 結論

(1)綜采充填工作面采空區(qū)中矸石與粉煤灰作為充填支撐體承擔了上覆巖層的一部分載荷,明顯減弱了工作面的礦壓顯現(xiàn)強度,支架工作阻力只有全部垮落法的65%,充填體可有效抑制頂板的運動,工作面頂板周期來壓強度只有垮落法的30%,基本頂只發(fā)生離層并沒有斷裂。

(2)矸石充填綜采與傳統(tǒng)綜采相比,采空區(qū)基本頂?shù)目迓涫艹涮铙w、破碎直接頂?shù)闹巫饔?其給予支架、煤壁等的動載系數(shù)將減小,采場礦壓顯現(xiàn)特征不明顯。

(3)采空區(qū)充填體的充實度對支架壓力顯現(xiàn)有重要影響,工作面中部充實度高,支架壓力顯現(xiàn)偏低;兩端充實度低,支架壓力顯現(xiàn)高。

(4)由于充填體的支承作用,礦壓集中程度減弱,充填工作面的超前壓力影響范圍要比常規(guī)開采小40%。

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