兩軟薄煤層綜采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

高 杰 屠世浩 李 明,2 孫璐璐 馬小濤

(1.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221116;2.山東省岱莊生建煤礦湖西礦井生技辦,山東省濟寧市,272300)

隨著我國煤礦開采強度的加大,厚及中厚煤層資源逐漸減少,薄及較薄煤層的開采逐漸受到煤炭企業(yè)的重視。本文針對淮北礦區(qū)祁南煤礦7122工作面地質(zhì)生產(chǎn)條件,根據(jù)液壓支架工作阻力實時監(jiān)測結(jié)果,分析薄煤層綜采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,為淮北礦區(qū)或類似礦井薄煤層綜采提供依據(jù)和實踐經(jīng)驗。

1 薄煤層地質(zhì)生產(chǎn)條件

7122綜采工作面回采71煤層,工作面地面標高為+22.6 m,井下標高為-371.3～-400.6 m,工作面走向長545 m,傾斜長127 m,所在區(qū)域為單斜構(gòu)造,工作面及四周共有3條斷層,工作面內(nèi)小構(gòu)造較為發(fā)育,局部地段煤層起伏較大,頂板較破碎,壓力較大。煤層傾向75～105°,傾角6～12°,平均為8°,煤層厚度為0.9～1.8 m,平均1.2 m,以薄煤層為主,可采指數(shù)100%;煤的堅固性系數(shù)f=0.2～0.3,煤質(zhì)較松軟;直接頂為厚0～1.5 m的泥巖,基本頂為厚13～14.5 m的細-中粒砂巖,直接底為厚2.7～4.5 m的泥巖,強度較低,遇水易膨脹,煤層及底板強度較低,表現(xiàn)為兩軟特征。煤層頂?shù)装逯鶢顖D見圖1。

圖1 7122工作面地層綜合柱狀圖

2 薄煤層綜采面采場礦壓觀測分析

2.1 采場礦壓規(guī)律觀測方案

通過在7122綜采面上、中、下部3個觀測區(qū)域10架液壓支架上安裝KBJ60-Ⅲ-1型礦壓實時監(jiān)測儀表,觀測支架載荷隨工作面推進的變化規(guī)律,據(jù)此分析頂板圍巖活動規(guī)律、支架運行特性及支架合理工作阻力等。觀測點布置如圖2所示。

圖2 工作面觀測點布置示意圖

2.2 支護阻力隨工作面推進距離變化規(guī)律

7122綜采工作面回采15 m時,出現(xiàn)工作面直接頂初次垮落;隨著工作面繼續(xù)推進,在回采30 m左右時,出現(xiàn)老頂初次垮落,工作面大面積來壓,表現(xiàn)為工作面液壓支架支柱安全閥開啟、煤壁片幫等現(xiàn)象。

以工作面中部測區(qū)35#、45#支架觀測結(jié)果為例,頂板來壓及支護阻力變化統(tǒng)計結(jié)果見表1(其中Pm為末阻力、Pt為時間加權(quán)阻力,Km、Kt為對應(yīng)動載系數(shù)),其支護阻力隨工作面推進變化規(guī)律如圖3所示。

表1 中部老頂來壓規(guī)律數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖3 中部支架支護阻力隨工作面推進距離變化規(guī)律

從表1可看出,工作面中部出現(xiàn)5次周期來壓,來壓步距平均為18.8 m,來壓動載顯現(xiàn)強度系數(shù)1.28,周期來壓期間支架末阻力平均為3509.86 kN,時間加權(quán)阻力平均為3206.88 kN;非來壓期間支架末阻力平均為2744.05 kN,時間加權(quán)阻力為2508.38 kN。

2.3 工作面傾斜方向支護阻力分布規(guī)律

周期來壓期間工作面傾斜方向末阻力分布及時間加權(quán)阻力分布如圖4所示。傾斜方向上末阻力與時間加權(quán)阻力分布呈現(xiàn)的趨勢基本一致,中部偏大,上、下部偏小,主要是由于工作面老頂垮落時呈現(xiàn)兩端應(yīng)力向中部偏移,中上部傾角小較平緩,下部傾角有所增大,在12°左右,由于采高較小,其來壓強度不顯著。

綜上,7122綜采面礦壓顯現(xiàn)有以下特征。

(1)綜采面來壓動載系數(shù)較小,工作面老頂周期性垮落步調(diào)基本一致,呈現(xiàn)整體來壓特征。

(2)工作面3個測區(qū)周期來壓期間支架平均末阻力分別為3445.16 kN、3509.86 kN、2788.85 kN,非來壓期間支架平均末阻力分別為3074.25 kN、3206.88 kN、2575.11 kN,工作面周期來壓期間整體支架工作阻力較小,動載系數(shù)基本相同;支架載荷富裕系數(shù)適宜,能夠保持高效穩(wěn)定運行。

圖4 周期來壓期間工作面傾斜方向阻力分布

3 薄煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分析

為確定工作面超前支承壓力影響范圍,比較巷道在錨網(wǎng)索、架棚(局部為全封閉棚)及U型鋼等支護方式下的支護效果,在機巷和風巷分別超前70 m和120 m處布置測站,觀測巷道頂?shù)装?、兩幫位移變化情況及錨網(wǎng)索、U型鋼支護質(zhì)量,120 m處測站的巷道表面移近量及移近速度分別如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可見,巷道頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬ξ灰谱兓厔菹嗤?頂?shù)装逑鄬σ七M量及變化速度較兩幫大。由前述工作面傾斜方向頂板壓力分布規(guī)律可知,主要是機巷位于工作面上部,機巷頂板支承壓力較風巷大。巷道圍巖整體變形較為顯著,頂?shù)装寮皟蓭屠塾嬕七M量達862 mm、552 mm,位移速度達130 mm/d、112 mm/d。在頂?shù)装逡平恐幸缘坠臑橹?這與底板巖性較弱有關(guān)。巷道變化情況見圖7。根據(jù)受采動影響程度不同,巷道表面移近速度變化特征,沿走向超前采動影響可劃分為3個區(qū)段。

(1)采動影響輕微區(qū),距工作面60 m以外區(qū)域。超前支承壓力較小,圍巖受其影響顯現(xiàn)不顯著,表現(xiàn)為巷道位移速度小,圍巖變形不顯著。

(2)采動影響明顯區(qū),距工作面60～25 m區(qū)域。隨工作面繼續(xù)推進,超前支承壓力呈增大趨勢,受其作用巷道圍巖變形速度變大,表面移進量較為顯著。

(3)采動影響劇烈區(qū)。距工作面25 m以內(nèi)區(qū)域。超前支承壓力較大,受集中壓力作用,圍巖塑性區(qū)發(fā)育范圍急劇增大,表現(xiàn)為巷道圍巖變形速度明顯增快,巷道表面變形劇烈。

圖7 現(xiàn)場觀測巷道變化情況

4 結(jié)論

(1)薄煤層綜采面來壓動載系數(shù)較小,老頂周期性垮落步調(diào)基本一致,呈現(xiàn)整體來壓特征。

(2)薄煤層綜采面傾斜方向上頂板載荷呈現(xiàn)工作面中部大,上、下部偏小的特征,主要是由于工作面兩側(cè)為實體煤,老頂垮落時呈現(xiàn)兩端應(yīng)力向中部偏移,中上部傾角小較平緩,下部傾角有所增大,工作面在來壓期間支架載荷富裕系數(shù)適宜,支架能夠保持高效穩(wěn)定運行。

(3)頂?shù)装逡平考耙平俣容^兩幫稍大,頂?shù)装逡平恐幸缘坠臑橹?機巷圍巖變形較風巷顯著,采動影響程度以沿工作面走向超前煤壁60 m、25 m為界可劃分為3個區(qū)段:采動影響輕微區(qū),采動影響明顯區(qū)及采動影響劇烈區(qū),兩巷應(yīng)從煤壁前方25 m左右開始加強支護,以確保巷道圍巖穩(wěn)定性滿足斷面要求。

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