殘煤復(fù)采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究

任志峰(1.太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，山西 太原 030024；2.大同煤礦集團(tuán) 生產(chǎn)技術(shù)處，山西 大同 037003)

“殘煤”主要指礦井早期開采過程中損失的煤量，包括采區(qū)開采損失、地質(zhì)損失、永久煤柱與報(bào)損煤量等。目前，我國殘煤復(fù)采的類型多為垂直方向上下分層類型的復(fù)采，對于此類復(fù)采工作面，根據(jù)殘留煤柱位置尺寸的不同，可將頂板分為3種狀態(tài)，上覆為完全空區(qū)的狀態(tài)，上覆煤柱與工作面呈縱跨狀態(tài)，上覆煤柱與工作面呈橫跨狀態(tài)。舊采殘留煤柱集中應(yīng)力會(huì)向底煤傳遞，傳遞深度及大小不同，造成其下部不同深度煤層破壞情況不同，對復(fù)采工作面影響較大。故分析此類跨煤柱復(fù)采工作面開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，尤其是工作面進(jìn)出煤柱過程中壓力的變化是現(xiàn)階段類似條件下復(fù)采工作面安全高效開采的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 工作面概況

大同煤礦集團(tuán)云岡礦12#層410盤區(qū)煤層厚度6.47 m，頂板巖性多為粉砂巖，含植物化石；底板以細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖為主。受小煤窯巷柱式開采影響，12#煤層沿頂上分層2.3 m厚破壞較嚴(yán)重，沿底4.17 m厚較完整，8107復(fù)采工作面沿12#煤層底板布置，傾向長度97 m，可采走向長度465 m，采高2.3 m.

根據(jù)小窯開采時(shí)間、開采空間和頂板巖性等參數(shù)推斷，8107復(fù)采工作面存在以下4種頂板狀態(tài)：1) 實(shí)體煤區(qū)。2) 頂板未垮落的完全空區(qū)。3) 頂板垮落未充滿空區(qū)。4) 頂板垮落充滿空區(qū)。

2 8107復(fù)采工作面探測結(jié)果分析

采用物理探測技術(shù)與打超前探測鉆孔相結(jié)合的方法對8107復(fù)采工作面上覆殘留煤柱-空區(qū)的相對位置以及空區(qū)中積水、積氣情況進(jìn)行探測，根據(jù)探測結(jié)果及時(shí)采取措施，確保工作面的安全高效回采。

2.1 物探結(jié)果分析

本次物探針對回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷側(cè)幫共進(jìn)行了5組三極測深，另外針對兩巷道尾部密閉正前方分別進(jìn)行了一組三極超前探，探測結(jié)果見圖1. 結(jié)果如下：

1) 圖1中藍(lán)色區(qū)域(①代表藍(lán)色區(qū)域)為低電阻異常區(qū)，可能為舊采殘留空區(qū)或是此區(qū)域巖石由于舊采采動(dòng)影響較為破碎，頂板巖層積水此處匯集所致。建議后期對圖中異常區(qū)加密鉆孔重點(diǎn)探測，工作面回采過程中應(yīng)對異常區(qū)加強(qiáng)水文地質(zhì)觀測。

2) 據(jù)圖1中兩巷密閉正前方超前探測成果分析，在運(yùn)輸巷密閉正前方27 m處，回風(fēng)巷密閉正前方76 m處各有一低電阻異常區(qū)。

圖1 8107復(fù)采工作面物探成果圖

2.2 8107復(fù)采工作面鉆孔探測分析

為了進(jìn)一步掌握8107工作面上方殘煤賦存狀況，在已有物探成果的基礎(chǔ)上采用工作面超前鉆探的方法確定工作面上方殘煤及空區(qū)的分布情況。探測鉆孔布置方式如下：

利用錨桿鉆機(jī)由工作面煤壁頂端以斜向上30°～60°的方向打超前鉆孔，鉆孔長度2～8 m，沿工作面傾向每10 m布置一個(gè)鉆孔。若探得終孔為空則在此附近打較為密集的鉆孔確定空巷準(zhǔn)確位置，鉆孔間距由10 m調(diào)整為2 m，鉆孔示意圖見圖2.

圖2 工作面探測鉆孔布置示意圖

綜合分析物探和鉆探結(jié)果得出，8107復(fù)采工作面上分層殘留煤柱與空區(qū)的位置關(guān)系：上分層殘留煤柱-空區(qū)分布以工作面中部為界呈兩種分布狀態(tài)。

工作面中部以東區(qū)域內(nèi)共分布8條空巷，其中5條空巷大致呈平行狀態(tài)且與工作面斜交角度為30°，空巷寬度均比較小，均在3 m左右。中部以西區(qū)域內(nèi)分布有長短不一，寬度不同的空巷11條，空巷呈不規(guī)則分布，且空巷的跨度比較大，空巷最小跨度為3 m，最大跨度達(dá)20 m. 距開切眼約220 m范圍均存在空區(qū)。

3 礦壓觀測方案及結(jié)果

3.1 礦壓觀測方案

在工作面內(nèi)布置3條測線，位于工作面上部、中部、下部。上線布置在工作面8#、9#支架，中線布置在工作面32#、33#支架，下線布置在61#、62#支架(工作面共布置70個(gè)支架)。以上布置測線的6個(gè)支架上均安裝KJ232-2F2型礦用壓力采集分站，對該工作面礦壓進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

3.2 礦壓觀測結(jié)果

本次礦壓觀測期間工作面從40 m推進(jìn)至177 m，共完成216個(gè)循環(huán)，共經(jīng)歷了9～11次周期來壓。受上分層舊采殘留“空區(qū)-煤柱”的影響，8107復(fù)采工作面老頂來壓步距和來壓強(qiáng)度比正常開采時(shí)綜采工作面大。由于工作面上方特殊的地質(zhì)條件，故本工作面的礦壓實(shí)測應(yīng)重點(diǎn)觀測進(jìn)出煤柱時(shí)的壓力顯現(xiàn)數(shù)據(jù)。

結(jié)合現(xiàn)場情況本次礦壓觀測主要針對不同狀態(tài)的頂板進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)測：1) 頂板為采空區(qū)的狀態(tài)。2) 頂板為煤柱的狀態(tài)。3) 進(jìn)出煤柱過程的狀態(tài)。8107復(fù)采工作面在回采期間來壓特征較為明顯，但來壓步距規(guī)律性不強(qiáng)，這是因?yàn)閬韷翰骄嗍艿巾敯迳细策z留煤柱的大小、位置等因素的影響；由于上分層為已開采的老空區(qū)，煤柱邊緣形成應(yīng)力集中點(diǎn)，故此類型的復(fù)采工作面礦壓規(guī)律與傳統(tǒng)綜采工作面相比有一定的特殊性。不同測線支架整架的載荷隨著頂板上覆不同狀態(tài)而變化規(guī)律曲線見圖3.

圖3 測點(diǎn)支架隨頂板不同狀態(tài)時(shí)載荷的變化規(guī)律曲線圖

3.2.1采空區(qū)下壓力觀測結(jié)果及分析

支架位于采空區(qū)下方時(shí)其工作阻力均較小。整架平均工作阻力值僅905 kN·架-1。支架工作阻力前柱大于后柱。后柱工作阻力平均值為190 kN·架-1，僅為前柱工作阻力值的72.2%. 頂板上覆為空區(qū)狀態(tài)時(shí)周期來壓強(qiáng)度整體偏低，來壓步距增大。

3.2.2殘留煤柱下壓力觀測結(jié)果及分析

1) 支架位于煤柱下方時(shí)其所測的工作阻力值相較于空區(qū)下方的所測值大。整架平均工作阻力值為1 832 kN·架-1。結(jié)合以上數(shù)據(jù)可知，煤柱下方工作阻力值約為空區(qū)下方支架工作阻力值的2倍。支架工作阻力前柱大于后柱，后柱工作阻力的平均值為384 kN·架-1，僅為前柱工作阻力值的71.6%.

2) 頂板上覆煤柱寬度較大時(shí)，其正下方工作面支架工作阻力小于兩側(cè)支架工作阻力值；頂板上覆煤柱寬度較小時(shí)，其正下方支架工作阻力達(dá)到最大。煤柱下回采時(shí)，工作面周期來壓強(qiáng)度較大，煤壁出現(xiàn)片幫。

3.2.3進(jìn)出煤柱過程中壓力觀測結(jié)果及分析

1) 支架在進(jìn)出煤柱時(shí)，頂板壓力顯現(xiàn)明顯，煤壁片幫冒頂嚴(yán)重，片幫寬度達(dá)到1.5 m. 工作面進(jìn)入頂板為空區(qū)后，頂板壓力明顯減弱。

2) 復(fù)采工作面進(jìn)入煤柱下方3～10 m時(shí)，支架工作阻力突然增大。分析各測線數(shù)據(jù)可知：8#支架進(jìn)入煤柱約7 m時(shí)，其支架載荷增大至2 348 N，32#支架進(jìn)入煤柱約9 m時(shí)，其支架載荷增大至2 376 kN，61#支架進(jìn)入煤柱約4 m時(shí)，其支架載荷增大至2 873 kN. 以上各測線支架在進(jìn)入煤柱下方小于10 m的距離均達(dá)到了較大值。

3) 復(fù)采工作面距離3～5 m出煤柱時(shí)，支架工作阻力再次增大，且最大值比進(jìn)煤柱期間的最大值大。分析32#支架數(shù)據(jù)可知，距離3 m出煤柱時(shí)，工作面壓力增大至最大值3 662 kN，此值約為進(jìn)煤柱時(shí)工作阻力最大值的1.5倍。

4) 復(fù)采工作面在通過煤柱的過程中，各測線支架工作阻力值在進(jìn)煤柱階段表現(xiàn)為前柱大于后柱，而在出煤柱階段表現(xiàn)為后柱大于前柱。分析8#支架的實(shí)測數(shù)據(jù)可知，支架在進(jìn)煤柱階段前柱工作阻力峰值是后柱工作阻力峰值的1.86倍，但在出煤柱時(shí)，前柱工作阻力峰值僅為后柱工作阻力峰值的45%.

5) 復(fù)采工作面通過煤柱的過程中，受到進(jìn)出煤柱集中應(yīng)力的影響，各測線支架的工作阻力會(huì)出現(xiàn)急劇增大甚至超過周期來壓峰值的情況，使得工作面周期來壓強(qiáng)度、來壓步距沒有明顯的特征，因此一般情況下難以準(zhǔn)確給出工作面的周期來壓值。

4 結(jié) 論

通過對8107復(fù)采工作面的礦壓觀測，并對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析可知：

復(fù)采工作面在推進(jìn)過程中，其支架工作阻力整體表現(xiàn)為前柱大于后柱。當(dāng)頂板為采空區(qū)時(shí)，測線支架工作阻力后柱僅為前柱的72.2%；當(dāng)頂板為煤柱時(shí)，測線支架工作阻力后柱僅為前柱的71.6%；但工作面在出煤柱過程中，支架工作阻力表現(xiàn)為后柱大于前柱，后柱工作阻力峰值約為前柱工作阻力峰值的1.6倍。

復(fù)采工作面通過煤柱的過程中，進(jìn)入煤柱3～10 m的距離，工作面頂板來壓明顯；隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，支架壓力逐漸降低；距離3～5 m出煤柱時(shí)，支架工作阻力再次增大，且最大值約為進(jìn)煤柱期間的最大值的1.5倍。

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