同忻礦特厚煤層綜放面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律探析

尚雁文

（同煤國電同忻煤礦有限公司，山西 大同 037001）

引言

同煤國電同忻煤礦現(xiàn)開采一盤區(qū)石炭系3～5號煤層，一個綜采放頂煤工作面生產(chǎn)，工作面最大采放高度達20m，年產(chǎn)原煤可達1 000萬t。為摸清特厚煤層放頂煤工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對首采8101 面進行了詳細的礦壓觀測，總結(jié)來壓規(guī)律，完善來壓防范措施，為綜放工作面安全回采提供了理論與技術(shù)支持。

1 地質(zhì)概況

8101工作面所采石炭系3～5號煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，為一特厚煤層，層厚11.0～23.64m，平均厚度17.7m，煤層傾角0～4°。該煤層為半暗型煤層，中夾半亮型煤，性脆易碎。煤層中夾矸5～10層，巖性一般為高嶺巖、砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖，偶見粉砂巖或細砂巖，夾矸總厚度2.75m。頂?shù)装鍘r性見表1。

2 8101綜放工作面概況

2.1 巷道布置（見圖1）

8101工作面走向長度為1674.6m，可采走向長度為1 494.6m，工作面傾向長度為199.5m。工作面采用三巷布置，一進兩回“U＋I”型通風(fēng)方式，其中2101巷、5101巷沿3～5 號煤層底板布置，8101 頂抽巷沿3～5 號煤層頂板掘進。2101巷為進風(fēng)、運煤兼作行人巷，巷內(nèi)靠煤柱側(cè)穩(wěn)設(shè)轉(zhuǎn)載機、皮帶機；5101巷為回風(fēng)、運輸、兼作行人巷；8101頂抽巷為專用抽瓦斯巷道。

表1 8101工作面頂?shù)装鍘r性

圖1 8101工作面巷道布置圖

2.2 開采工藝

工作面采用單一走向長壁后退式綜合機械化一次采全高放頂煤開采，一刀一放多輪順序放煤的方式，采高3.9m，平均放頂煤厚度13.8m。循環(huán)進度放煤步距都為0.8m。工作面正常推進時，兩端頭過渡支架處不放煤，即頭三尾四架不放煤，其他地點全部放煤，見矸關(guān)窗，全部垮落法管理頂板。

2.3 支架布置

工作面共布置118 架支架，頭1 號為ZTZ20000／30／42型端頭支架，2～4號和尾115～118號為ZFG13000／27.5／42H 型過渡支架，其余110架為ZF15000／27.5／42型中間支架，相鄰支架中心距為1.75m。中間支架參數(shù)：額定工作阻力15 000kN，初撐力12 778kN；底板平均比壓2.48～3.26MPa；；結(jié)構(gòu)高度2 750～4 200mm；支護強度1.46 MPa；推移行程960 mm；主頂梁長3 715mm，前探梁長1 600mm。

2.4 礦壓測區(qū)布置

工作面礦壓觀測采用KJ216型煤礦頂板動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。工作面共布置11條測線，壓力分機從9號支架開始每間隔9個支架安設(shè)一組，分別安裝在9 號、19 號……109 號支架上。壓力分機的3個接口分別接支架的前柱、后柱、前探梁的下腔。所測的壓力值通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)降孛嬗嬎銠C系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)連續(xù)不間斷在線監(jiān)測。

另外在每個支架上安裝一組數(shù)顯壓力表，對前柱、后柱下腔的壓力進行監(jiān)測，用于檢測支架的初撐力和工作阻力。

3 8101綜放工作面來壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.1 推進度和來壓步距觀測數(shù)據(jù)分析

當(dāng)工作面推進到頭6.8m，尾6.4m，平均6.6m時，采空區(qū)頂煤開始從33～66號架處垮落，垮落高度1.5～2.0m；當(dāng)工作面推進到頭9.2m，尾8m，平均8.6m 時，20～70號支架處頂煤垮落，垮落高度2.5～3.0 m；當(dāng)工作面推進到頭10.8 m，尾11.4m，平均11.1m 時，采空區(qū)頂煤已經(jīng)全部垮落，頂煤垮落厚度大于6 m。當(dāng)工作面推進到頭21.9m，尾23.6m，平均22.8m時，直接頂初次垮落。

工作面自開采以來共計經(jīng)過50次來壓，平均周期來壓步距為32.37m。因工作面開采初期CO超限，為加快工作面推進速度，前100m 只割煤不放頂煤，致使工作面基本頂初次來壓步距加大，達222.5m。正常放頂煤開采期間，周期來壓步距一般為25～35m；當(dāng)生產(chǎn)不正常、推進速度緩慢時，周期來壓步距縮短，為15～20m。其觀測數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 8101面來壓步距示意圖

3.2 基本頂周期來壓強度統(tǒng)計

由于工作面煤層厚度大，采出的空間大，導(dǎo)致采場上履巖層破壞嚴重［1］，每次來壓時工作面壓力也較大，達到14 000kN（34.4 MPa）以上；同時由于工作面傾斜長度較大，中部壓力顯現(xiàn)比較明顯。來壓強度統(tǒng)計見圖3。

圖3 8101面周期來壓強度統(tǒng)計

3.3 工作面不同位置支架初撐力和工作阻力觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

由圖4～下頁圖7可知，放頂煤工作面支架初撐力普遍偏低。其原因是煤層節(jié)理、裂隙發(fā)育，煤層松軟，如前探梁不能及時支護割煤后暴露的頂板，極易造成頂煤離層破碎，支架初撐力達不到規(guī)定值，形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致在幾個循環(huán)之內(nèi)，支架初撐力都偏低。工作面來壓前后，煤壁片幫大，機道頂煤破碎度大、冒落高度大。

圖4 9號支架初撐力與最大工作阻力比較

圖5 69號支架初撐力與最大工作阻力比較

圖6 109號支架初撐力與最大工作阻力比較

圖7 初撐力與工作阻力沿工作面分布圖

中部支架來壓時壓力大于頭尾支架壓力，35～85號是來壓強烈區(qū)，來壓強度大，持續(xù)時間長，安全閥開啟頻繁；34～221號、86～100號兩個區(qū)域來壓強度相對較小，持續(xù)時間相對較短，來壓時安全閥個別開啟；20～3號、101～116號來壓不明顯，來壓時表現(xiàn)為持續(xù)增阻，但安全閥開啟較少，來壓時短時間開啟，相對增阻時間長。

未來壓時，前柱的工作阻力普遍大于后柱，8101工作面支架前后柱載荷比最小為1.07，最大為1.69，平均載荷比為1.35。來壓期間，前柱增載系數(shù)為1.14，后柱增載系數(shù)為1.22。

4 8101工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

通過對8101工作面礦壓實測結(jié)果分析，得出特厚煤層放頂煤工作面有如下礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

1）特厚煤層放頂煤工作面初次來壓步距較大，周期來壓步距與一般綜采面大致相同。

2）因采高大，基本頂或直接頂出現(xiàn)懸頂，積聚的勢能大，如遇基本頂或直接頂堅硬，出現(xiàn)大面積懸頂時，對支架構(gòu)成較大威脅，必須采取措施控制，消除生產(chǎn)隱患。同忻礦在實際生產(chǎn)中，采取了在來壓強烈的中部60～70號支架留設(shè)條帶煤柱，該區(qū)域在預(yù)計來壓前不放煤，來壓結(jié)束后正常放煤，防止了摧架事故的發(fā)生。

3）鄰面順槽巷道壓力大。2100巷與8101面回風(fēng)順槽留設(shè)45m 煤柱，8101面開采后，2100巷出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，局部頂板離層。臨空巷道礦壓顯現(xiàn)強烈，開采前必須加強支護及采取必要的卸壓措施。

4）頂板主要以緩慢回轉(zhuǎn)運動方式來壓［2］。當(dāng)工作面具有合理的推進速度（不小于6.0m）時，頂板運動向采空區(qū)方向緩慢下沉，后柱阻力明顯高于前柱；當(dāng)工作面推進不正?；蛲．a(chǎn)時間長時，頂板一般向煤壁方向回轉(zhuǎn)下沉，造成機道頂板臺階下沉，支架阻力急增，安全閥開啟，小時內(nèi)活柱下縮量最大時無行程，顯現(xiàn)為工作面整體來壓，出現(xiàn)壓架現(xiàn)象。

5）推進速度影響支架活柱下縮量。日進度大于6.0m 時，活柱下縮量為10～60mm／h，日進度小于4.0m 時，活柱下縮量為100～300mm／h。

6）工作面端頭及超前范圍內(nèi)應(yīng)力顯現(xiàn)不明顯，單體液壓支柱阻力變化不大，巷道煤壁沒有片幫。其原因與工作面周邊為實煤區(qū)有關(guān)。

7）頂板巖性的變化是影響工作面來壓強度的一個重要因素。8101工作面長度相對較長，為復(fù)合型頂板，頂板來壓呈現(xiàn)分段來壓的特征，造成工作面來壓時間較長，一般影響2d左右。正常情況下，工作面來壓步距基本保持一長一短的現(xiàn)象。

8）煤層的厚度變化影響工作面的應(yīng)力顯現(xiàn)［3］。煤層較厚時，老頂巖梁斷裂高度較高，超前煤壁斷裂后緩慢下沉，無法發(fā)揮前梁前支點的作用，不能夠及時折斷造成支架長時間帶壓。

5 結(jié)語

通過對8101 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究總結(jié)，初步掌握了特厚煤層放頂煤工作面頂板活動規(guī)律，解決了開采過程中出現(xiàn)的液壓支架沖擊性來壓、來壓強度大壓支架等問題，保證了工作面的安全高效生產(chǎn)。

［1］錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［2］呂強.亭南煤礦特厚煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2007（6）：17－20.

［3］李文社，王保松，郭華.千秋煤礦深部特厚煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律淺析［J］.中州煤炭，2009（10）：31－33.