長度變化對綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律影響研究

彭 濤 王慶雄

(中國神華神東煤炭集團公司哈拉溝煤礦，陜西省神木縣，719315)

神東煤炭集團哈拉溝煤礦開展了12上101綜采工作面450m超長綜采面開采試驗。已有研究結(jié)果表明，超長工作面礦壓顯現(xiàn)強度大于相同采高的一般長度工作面，即超長工作面礦壓顯現(xiàn)相對強烈。本文通過對比168m和450m工作面初次來壓和周期來壓特征，結(jié)合覆巖結(jié)構(gòu)特征因素，分析長度變化對綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響。

1 工作面開采條件

12上101工作面位于神東煤炭集團哈拉溝煤礦井田12煤層一盤區(qū)，為12煤層首采工作面。該工作面為刀把子面，其中12上101-1工作面長168.6m，推進長度246.7m；12上101-2工作面長450m，推進長度857.5m。煤層平均厚度2.11m，設計采高為2.0m，煤層賦存穩(wěn)定，煤層傾角為1°～3°。老頂為細砂巖，平均厚度2.98m；直接頂為粉砂巖，平均厚度3.79m。12上101-1工作面安設101架KOPEXS二柱掩護式液壓支架進行頂板支護；12上101-2工作面安設238架KOPEXS二柱掩護式液壓支架，另外還有平頂山煤機廠生產(chǎn)的24架 ZY9200／12.3／22.3D 液壓支架。工作面巷道布置情況如圖1所示。

圖1 12上101工作面巷道布置圖

2 不同長度綜采工作面礦壓規(guī)律對比

12上101工作面開采前后期工作面長度發(fā)生了較大變化，對礦壓產(chǎn)生一定的影響。因此，需要對12上101-1和12上101-2兩個不同長度工作面 (以下用168m和450m工作面代替表示12上101-1和12上101-2工作面)礦壓規(guī)律進行對比分析研究以指導現(xiàn)場生產(chǎn)實踐。為了便于對比分析不同長度工作面礦壓規(guī)律，選取工作面中部支架礦壓特征數(shù)據(jù)進行分析，以消除邊界因素對礦壓特征的影響。

2.1 老頂初次來壓規(guī)律對比

168m工作面推進至距離開切眼39m位置時，老頂初次來壓，工作面30?！?0＃支架普遍來壓，最大支架工作阻力為56.7MPa，平均工作阻力為32.9MPa，達到35.0MPa以上的占34%。工作面局部片幫明顯，最大片幫厚度達0.5m。450m工作面推進至距離12上101-2工作面開切眼41 m位置時，工作面機尾段區(qū)域老頂垮落，180?！?30＃支架工作阻力較大，達到40.0～58.5MPa，220＃支架最大工作阻力達到58.5MPa。工作面存在明顯的片幫和漏矸現(xiàn)象，并在145?！?80＃支架區(qū)域出現(xiàn)淋水。此次來壓相對劇烈，來壓區(qū)間主要靠近機尾段，工作面中部100?！?60＃支架來壓不明顯。當繼續(xù)推進6m后，工作面60?！?60＃支架區(qū)域有來壓現(xiàn)象，來壓期間支架工作阻力最大為46.5MPa， 平 均 31.6MPa。168m 工 作 面 和450m工作面初次來壓期間礦壓顯現(xiàn)特征見表1。

由表1可知，老頂初次來壓時，450m超長工作面對應的老頂初次來壓步距、來壓期間支架工作阻力及動載系數(shù)均大于168m工作面，且450m工作面對應老頂初次來壓步距、來壓支架工作阻力及動載系數(shù)變化幅度明顯大于168m工作面。

表1 不同長度工作面老頂初次來壓期間礦壓特征對比表

2.2 周期來壓規(guī)律對比

168m工作面周期來壓期間，工作面40＃支架以后支架工作阻力普遍大于機頭段區(qū)域，來壓期間片幫不明顯，只有局部出現(xiàn)片幫。雖然工作面來壓相對不是很強烈，但是由于頂板比較破碎，伴隨來壓出現(xiàn)頂板離層，不易護頂，同時出現(xiàn)淋水，來壓后采空區(qū)反水，影響正常生產(chǎn)。工作面周期來壓期間礦壓顯現(xiàn)特征見表2。

通過礦壓實測表明，450m工作面存在大小周期來壓現(xiàn)象。兩次小周期來壓后間隔24m左右出現(xiàn)大周期來壓。當工作面小周期來壓時，來壓持續(xù)長度相對較短，來壓強度不大，安全閥開啟不多，來壓范圍主要分布在中部70?！?50＃支架區(qū)域；當工作面大周期來壓時，來壓持續(xù)長度較大，來壓強度大、范圍廣，主要集中在50?！?0＃、110?！?40＃和170＃～230＃支架區(qū)域。來壓期間安全閥開啟率較高，支架明顯下沉，前梁挑頂效果差，支架低頭，護頂困難，煤壁出現(xiàn)片幫，煤壁酥軟，頂板穩(wěn)定差。工作面周期來壓期間礦壓顯現(xiàn)特征見表2。

由表2可知，周期來壓期間，450m超長工作面對應的來壓步距小于168m工作面，450m工作面對應來壓期間支架循環(huán)末阻力、動載系數(shù)和來壓持續(xù)長度均大于168m工作面，即450m超長工作面周期來壓強度大于168m工作面。

表2 不同長度工作面周期來壓期間礦壓特征對比表

3 不同長度綜采工作面礦壓顯現(xiàn)差異分析

分析表明，450m超長工作面對應初次來壓和周期來壓強度大于168m工作面。結(jié)合工作面覆巖結(jié)構(gòu)特征和工作面長度因素，分析不同長度工作面礦壓特征差異產(chǎn)生的原因。

表3 Q14鉆孔覆巖關(guān)鍵層判別

表4 H65鉆孔覆巖關(guān)鍵層判別

168m工作面內(nèi)Q14鉆孔和450m工作面內(nèi)H65鉆孔對應覆巖結(jié)構(gòu)特征見表3和表4。

3.1 老頂初次來壓特征差異分析

結(jié)合普氏平衡拱理論分析，老頂初次來壓時，由于老頂在工作面走向方向上首次發(fā)生破斷，老頂上覆巖層并未充分垮落，工作面上方平衡拱大小主要取決于老頂覆巖結(jié)構(gòu)特征，即只考慮覆巖結(jié)構(gòu)特征變化對工作面來壓顯現(xiàn)強度的影響。

3.1.1 老頂初次來壓步距計算

由于12上101工作面是首采工作面，老頂未受到破壞，比較完整，故計算老頂來壓步距時可將老頂看作固定梁，來壓步距采用下式計算:

式中:L0——老頂初次來壓步距，m；

H—— 老頂?shù)暮穸?，m；

σ拉——老頂抗拉強度，MPa；

q—— 單位長度老頂?shù)妮d荷，kN。

結(jié)合表3和表4可知，168m工作面內(nèi)老頂?shù)暮穸葹?.2m，抗拉強度為3.95MPa，容重為2.3×103kg／m3，單位長度老頂?shù)妮d荷為3.3×105kN。450m工作面內(nèi)老頂?shù)暮穸葹?.84m，抗拉強度為4.84MPa，容重為2.3×103kg／m3，單位長度老頂?shù)妮d荷為3.56×105kN。

將兩個工作面對應的各參數(shù)值代入式 (1)，得出168m工作面老頂初次來壓步距為40.12m，450m工作面老頂初次來壓步距為46.11m。顯然，450m工作面對應老頂初次來壓步距大于168m工作面。

3.1.2 老頂初次來壓計算

老頂初次來壓時，控制頂板的關(guān)鍵在于當靠煤壁處老頂斷裂線剛露出煤壁時，支架的工作阻力能支撐住垮落帶巖層的重量。這時需要的支架工作阻力按下式計算:

式中

:P——支架工作阻力，kN；

Llxc——老頂初次來壓步距，m，根據(jù)實測情況取值；

La——每架支架所控制的工作面長度，取1.75m／架；

γ——垮落帶直接頂巖層平均體積力，取23000kN／m3；

h——垮落帶直接頂厚度，168m工作面對應值為6.13m，450m工作面對應值為5.8m；

LZ′——直接頂巖梁長度，取6.14m；

n——垮落帶最上分層數(shù)，取3；

γli——垮落帶中第i分層老頂及其附加巖層的平均體積力，取23000kN／m3；

hli——垮落帶中第i分層老頂及其附加巖層的厚度，168m工作面對應值為8.2m，450m工作面對應值為8.84m；

α——煤層傾角，取3°；

K——安全系數(shù)，取1.1；

——考慮立柱不垂直頂梁以及掩護梁上有載荷的系數(shù)，支撐式為100%；支掩式為85%～90%；短頂梁掩護式為60%。

將168m工作面和450m工作面具體支護參數(shù)值代入式 (2)計算得出168m工作面初次來壓期間支護所需工作阻力為8180kN，450m工作面初次來壓期間支護所需工作阻力為9159kN。說明初次來壓期間，450m超長工作面來壓強度更加劇烈。同時，由于非來壓期間支架工作阻力基本一致，而來壓期間450m工作面來壓強度更大，所以對應動載系數(shù)也更大。

3.2 老頂周期來壓特征差異分析

根據(jù)已有研究表明，工作面長度增加一定程度上會導致上覆巖層垮落帶高度增加，即周期來壓期間覆巖結(jié)構(gòu)特征和工作面長度因素都會影響來壓顯現(xiàn)強度。

3.2.1 老頂周期來壓步距計算

先分析覆巖結(jié)構(gòu)特征因素對來壓顯現(xiàn)強度的影響。老頂周期來壓期間，來壓步距計算:

式 (3)中參數(shù)值同式 (1)，將各參數(shù)值代入式 (3)，得出168m工作面老頂周期來壓步距為16.38m，450m工作面老頂周期來壓步距為18.82m。顯然，450m工作面對應老頂周期來壓步距大于168m工作面。

再分析工作面長度因素對老頂周期來壓特征差異的影響。從覆巖結(jié)構(gòu)特征分析，450m工作面周期來壓步距大于168m工作面，但是對于超長工作面，由于工作面長度增加，導致推進速度的下降，使得老頂有充足的時間進行垮落，從而導致周期來壓步距的減小。礦壓實測結(jié)果表明，450m工作面周期來壓步距小于168m工作面，礦壓實測結(jié)果否定了前面計算式算出的結(jié)果，因此，長度因素對周期來壓步距影響明顯大于覆巖結(jié)構(gòu)特征的影響 (理論計算結(jié)果和實測結(jié)果對比是為了說明長度因素對周期來壓步距的影響大于覆巖結(jié)構(gòu)特征的影響)。

3.2.2 老頂周期來壓計算

周期來壓期間支架所需的工作阻力可根據(jù)式(2)進行計算，非來壓期間的支架載荷可以根據(jù)覆巖結(jié)構(gòu)進行計算。分析表明，450m工作面來壓強度大于168m工作面。

按照普式平衡拱理論在一定跨度空間之上 (工作面長度)的頂板巖層將會發(fā)生拱形冒落，其高度既與跨度有關(guān)，又與巖石的普式硬度指數(shù)有關(guān)，即:

式中:h——頂板巖層冒落高度，m；

B——工作面長度，m；

f——頂板巖石的普式硬度指數(shù)，其值約為強度的1／10。

由式 (4)可知，450m工作面頂板冒落高度明顯大于168m工作面，即支護所需支架工作阻力大于168m工作面。同時，工作面長度越長，壓力拱越大，導致周期來壓期間支架工作阻力越大，即礦壓顯現(xiàn)強度越大。

4 結(jié)論

(1)老頂初次來壓時，450m超長工作面對應的老頂初次來壓步距、來壓期間支架工作阻力及動載系數(shù)均大于168m工作面。

(2)周期來壓期間，450m超長工作面對應的來壓步距小于168m工作面， 450m工作面對應來壓期間支架循環(huán)末阻力、動載系數(shù)和來壓持續(xù)長度均大于168 m工作面，即450m超長工作面周期來壓強度大于168m工作面。

(3)對不同長度綜采面礦壓顯現(xiàn)差異進行分析表明，老頂初次來壓時，只考慮覆巖結(jié)構(gòu)特征變化對工作面來壓顯現(xiàn)強度的影響；老頂周期來壓時，覆巖結(jié)構(gòu)特征和工作面長度因素都會影響來壓顯現(xiàn)強度，且長度因素對周期來壓步距影響明顯大于覆巖結(jié)構(gòu)特征的影響。

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