薄煤層綜采覆巖移動(dòng)規(guī)律與支架的相互作用關(guān)系研究

摘 要：本文以章村礦423109工作面開采實(shí)踐為背景，通過長(zhǎng)期觀察、測(cè)量工作面開采時(shí)的各項(xiàng)基本數(shù)據(jù)，結(jié)合覆巖運(yùn)動(dòng)理論，分析了423109薄煤層綜采工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其與支架的相互作用關(guān)系，進(jìn)而對(duì)2#煤工作面開采及綜采支架的選型設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：薄煤層；頂板來壓步距；液壓支架；控頂距；

文章編號(hào)：1674-3520（2015）-05-00-02

我國(guó)薄煤層儲(chǔ)量為61.5億t（煤層厚度小于1.3m），占全國(guó)煤礦煤炭總儲(chǔ)量的20.42%，而采出量卻不足總量的10%。與厚煤層開采相比，薄煤層賦存條件差，開采條件復(fù)雜，機(jī)械化開采難度大，產(chǎn)量低；大量薄煤層被廢棄或因技術(shù)條件而擱置開采，薄、厚煤開采比例失調(diào)問題十分突出。目前，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，合理利用和開采煤炭資源，提高資源利用率將日趨重要。因此，提高并加強(qiáng)薄煤層機(jī)械化開采技術(shù)和薄煤層開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究將為地下復(fù)雜、難采煤層開采提供有利的技術(shù)保證。

本文以章村煤礦2#薄煤層開采為依據(jù)，通過煤層開采覆巖運(yùn)動(dòng)理論分析及大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)，重點(diǎn)分析了薄煤層開采上覆巖層的移動(dòng)規(guī)律及其與綜采支架間的相互作用，并依據(jù)支架和圍巖相互作用關(guān)系原理，分析了薄煤層開采過程礦壓顯現(xiàn)特征，為章村礦薄煤綜采提供依據(jù)。

一、井田概況

章村礦位于河北省沙河市與武安市交界地帶，由章村礦三井井田和章村礦四井井田兩部分組成。章村礦四井采用斜立混合式多水平開拓方式，目前正開采-200水平，該水平東翼中厚煤層已基本開采完畢，正在進(jìn)行采區(qū)下山煤柱回收工作，西翼布置有主要生產(chǎn)采區(qū)—4224采區(qū)。該采區(qū)主采2#煤層，該煤層為薄煤層。

2#煤層為主要開采煤層，上距山西組頂界約40～50m。煤厚0.85～1.55m，平均1.2m。2#煤直接頂為炭質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖，厚度約0.5m，基本頂為泥質(zhì)粉砂巖，厚度約5m；底板多為砂質(zhì)泥巖。

二、工作面開采礦壓觀測(cè)及巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

本文以章村礦四井4224采區(qū)423109工作面為研究對(duì)象，通過對(duì)開采工程中頂板來壓情況的觀察和測(cè)量，以及對(duì)采動(dòng)影響下的工作面運(yùn)輸巷和采區(qū)皮帶下山的變形觀測(cè)，積累了大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析采動(dòng)影響下覆巖運(yùn)動(dòng)與綜采支架的相互作用關(guān)系。

（一）礦壓顯現(xiàn)特征

1、頂板初次垮落：工作面開切眼初掘?qū)挾?m，工作面安裝前擴(kuò)為6.0m，切眼采用錨網(wǎng)加錨索支護(hù)。隨工作面推進(jìn)，頂板錨索去除索具，直接頂巖層離層向上發(fā)展，直接頂下位巖層開始逐漸下沉。工作面向前推進(jìn)5.2m后，直接頂初次垮落。

2、頂板初次來壓：頂板自開切眼初次垮落后，隨著推進(jìn)和頂板懸露面積增大，每4m左右直接頂下位巖層垮落就發(fā)展一次，破斷角70°左右，破斷多在移架時(shí)發(fā)生。工作面推進(jìn)到12m時(shí)，直接頂上位巖層出現(xiàn)裂縫，并逐漸發(fā)育。工作面推進(jìn)17m時(shí)，支架明顯受力，預(yù)示著將有大范圍的巖層冒落。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)到21.5m時(shí)，老頂巖梁破斷失穩(wěn)，初次來壓發(fā)生。工作面頂板初次來壓時(shí)超前支撐壓力峰值系數(shù)達(dá)1.8，位于工作面前方8—12m處。

3、周期來壓：初次來壓過后，頂板隨工作面推進(jìn)出現(xiàn)周期性破斷。破斷下沉錯(cuò)位的頂板排列整齊，有時(shí)呈咬合狀。破斷裂縫寬度較大，一般為0.5—0.8m。周期來壓步距一般為4—8m，周期性來壓時(shí)超前支承壓力峰值系數(shù)一般在1.6左右，位于煤壁前方約8～10m處。頂板周期來壓時(shí)有動(dòng)壓現(xiàn)象，但不劇烈。

4、充分采動(dòng)距離：周期來壓剛過后頂板巖層運(yùn)動(dòng)屬于非充分采動(dòng)階段，實(shí)踐顯示在經(jīng)過4—6個(gè)周期來壓步距時(shí)（45—65m），在煤層走向方向上達(dá)到充分采動(dòng)距離，其特征是巖層充分垮落，具有明顯的“三帶”特征。充分采動(dòng)以后周期來壓步距明顯偏小，但平均來壓強(qiáng)度略高于非充分采動(dòng)時(shí)的來壓強(qiáng)度。

（二）覆巖移動(dòng)特征

1、初次來壓階段：開切眼形成后，由于有錨網(wǎng)、錨索支護(hù)，工作面頂板沒有發(fā)生冒落現(xiàn)象。但離層儀顯示2#煤之上3m以內(nèi)的巖層離層有離層現(xiàn)象，其它上位巖層下沉量很小。隨著工作面推進(jìn)，頂板懸露面積增大，裂隙不斷發(fā)育，頂板下沉速度略有增加，但下沉量不大，實(shí)際情況約為10cm。工作面繼續(xù)推進(jìn)，覆巖垮落高度并未發(fā)展，僅下位巖層冒落面積增大。當(dāng)工作面推進(jìn)到21.5m時(shí)，頂板發(fā)生初次來壓，頂板巖層垮落高度達(dá)到5m，離層高度達(dá)到11.5m。距煤層11.50m高處的巖層最大下沉量為0.2m。

2、正常開采階段（周期來壓階段）：頂板初次來壓過后，隨著工作面的推進(jìn)頂板巖層就按一定的步距呈周期性垮落。周期來壓時(shí)支架上部直接頂懸頂長(zhǎng)度較短，大多數(shù)情況下直接頂沿著頂梁后端斷裂，基本上無懸臂。

3、“三帶”高度：由于采高低和軟巖的原因，開采時(shí)冒落帶高度明顯，裂隙帶高度和彎曲下沉帶高度的界限并不明顯。冒落帶的高度約2m，明顯裂隙帶高度約為12m。

（三）支架和圍巖相互作用關(guān)系分析

1、支架受力狀態(tài)分析

回采工作面的圍巖即直接頂、老頂以及直接底巖層，這三者對(duì)回采工作面支架有著直接影響。圍巖作用于支架的受力狀態(tài)如下圖所示。多數(shù)情況直接頂沿煤壁斷裂，斷裂角約70°～75°。架后基本上沿著頂梁與掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)斷裂?；夭晒ぷ髅嬷芷趤韷簳r(shí)偶爾出現(xiàn)過工作面頂板沿煤壁產(chǎn)生臺(tái)階下沉，所以來壓時(shí)應(yīng)加強(qiáng)頂板管理，必要時(shí)增加臨時(shí)支護(hù)，防止臺(tái)階下沉量過大。

工作面初次來壓時(shí)的情況與周期來壓時(shí)存在較大區(qū)別，架后懸頂面積很大，此時(shí)支架受力的合理作用點(diǎn)可能后移，超出支架設(shè)計(jì)允許范圍，支架內(nèi)部產(chǎn)生較大附加力，其表現(xiàn)形式是平衡油缸可能拉壞。所以工作面初次來壓之前應(yīng)備好單體液壓支柱，來壓時(shí)臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，防止拉壞平衡油缸和工作面頂板沿煤壁產(chǎn)生臺(tái)階下沉。

2、控頂距分析

通過實(shí)踐，分析兩種控頂距條件下，采場(chǎng)圍巖與支架的相互作用。實(shí)踐顯示，控頂距為1.5m時(shí)，在工作面周期來壓時(shí)容易發(fā)生冒頂，冒高0.3—0.5m左右。如果移架不能及時(shí)跟上，控頂距較大時(shí)，容易發(fā)生冒頂，也容易產(chǎn)生支架低頭。而在控頂距小于1.0m時(shí)，架前冒落顯現(xiàn)明顯減少。

三、結(jié)論

根據(jù)章村礦423109工作面開采中取得的大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果得出以下結(jié)論：

（一）初次來壓步距為21m左右，周期來壓明顯，來壓步距為4～8m，伴有動(dòng)壓現(xiàn)象。來壓時(shí)超前支撐壓力峰值系數(shù)1.6～1.8，位于工作面前方8～12m。

（二）控頂距不宜大于1.0m，控頂距過大容易造成回采工作面架前冒頂，也可能造成支架低頭，容易拉壞平衡油缸。

（三）工作面初次來壓時(shí)，架后懸頂面積很大，此時(shí)的支架受力的合理作用點(diǎn)可能后移，超出支架設(shè)計(jì)允許范圍，支架內(nèi)部產(chǎn)生較大附加力。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢鳴高，劉聽成·礦山壓力及其控制[M]·北京：煤炭出版社，1994

[2]宋振騏，蔣金泉.煤礦巖層控制的研究重點(diǎn)與方向[J]，巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1996（2）：128-134

作者簡(jiǎn)介：王韶峰（1976-），男，河北邢臺(tái)人，2001年畢業(yè)于華北科技學(xué)院采礦工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)在冀中股份公司章村礦工作。