不同覆巖條件下采煤工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

李 晉(西山煤電集團(tuán)公司 官地礦，山西 太原 030000)

不同覆巖條件下采煤工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

李 晉
(西山煤電集團(tuán)公司 官地礦，山西 太原 030000)

以某礦首采工作面71312工作面為背景，研究該工作面不同覆巖條件下礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。不同塊段含水層載荷傳遞作用的不同導(dǎo)致了工作面覆巖結(jié)構(gòu)特征的差異，使得不同覆巖破斷特征條件下工作面礦壓顯現(xiàn)特征出現(xiàn)了明顯差異。不同階段頂板巖性完整程度的不同以及頂板預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)方案差異所引起的頂板弱化程度不同，也是導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)特征不同的重要原因。

首采工作面；覆巖條件；礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

1 工程概況

某礦7131工作面位于井田東翼三采區(qū)，7131切眼與DF5斷層毗鄰，西以三采區(qū)第一中部車場為界，南北分別以7131風(fēng)巷、機(jī)巷為界。工作面沿走向布置，風(fēng)巷靠近“四含”防水煤柱。7131沿空風(fēng)巷南側(cè)為7130采空區(qū)，自A1點(diǎn)沿空掘進(jìn)與7130機(jī)巷留有5 m的煤柱。為探放7130老空水，在改造切眼N4點(diǎn)撥門施工一條長270 m的排水巷，在排水巷對7130老空區(qū)水進(jìn)行探放，排水巷距老空區(qū)35 m. 地勢較平坦。地面有后橋村，無河流。

7131工作面起止標(biāo)高-393～-473 m，走向長度1 686.6 m，傾斜長度161～165.9 m，采用走向長壁綜合機(jī)械化采煤方法，頂板管理為垮落法。煤層開采厚度1.9～4.0 m，平均3.0 m. 該工作面內(nèi)71煤層產(chǎn)狀變化不大，傾向355°～35°，傾角11°～16°，平均13°. 工作面內(nèi)有284、采前3、29-302、303、高91鉆孔控制。地面標(biāo)高一般為+21.6 m.

工作面71煤黑色，以塊狀、粉末狀為主，弱玻璃光澤，半暗～半亮型。根據(jù)鉆孔及實(shí)際揭露，該區(qū)域?qū)?1煤和72煤合并區(qū)，煤層最大厚度為4.1 m，最小煤厚2.5 m，平均厚度M=3.19 m. 煤厚變異系數(shù)γ=9%，可采性指數(shù)km=1.0. 煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。該工作面內(nèi)71煤層產(chǎn)狀變化較大，煤層含1～2層夾矸，厚0.24～0.7 m，煤層頂?shù)装迩闆r見表1.

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

工作面基本頂一般為淺灰色中砂巖，局部為細(xì)砂巖及砂泥巖互層，厚度為8.41～20.75 m，平均14.4 m；直接頂一般為深灰色泥巖，局部為淺灰色粉砂巖及中砂巖，厚度不穩(wěn)定0 ～3.7 m，平均厚1.7 m；底板一般為灰～深灰色泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，致密、塊狀、含植物碎片；頂?shù)装遢^平整，局部裂隙發(fā)育，凸凹不平，屬二類。

2 工作面礦壓觀測目的及觀測方案

1) 觀測目的。

通過觀測，掌握7131工作面采用高阻力支架后的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，主要包括工作面初次來壓規(guī)律；6130工作面停采線以內(nèi)7131工作面在上覆采空區(qū)下的來壓規(guī)律(第Ⅰ、Ⅱ塊段)；6130和7130工作面在停采線以外未采區(qū)域的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律(第Ⅲ塊段)；工作面采空區(qū)下與實(shí)體煤巖柱區(qū)域下來壓規(guī)律的對比分析。

2) 觀測方案。

在7131工作面共布置13個CDW-60R型支架壓力記錄儀，將工作面分為3個壓力觀測區(qū)，其中3#、8#、13#、18#、23#為工作面下部觀測區(qū)，28#、36#、44#、52#為工作面中部觀測區(qū)，60#、68#、76#、84#為工作面上部觀測區(qū)，其它支架上均安裝數(shù)顯壓力表。7131工作面壓力監(jiān)測儀器布置情況見圖1.

圖1 工作面壓力監(jiān)測儀器的安裝位置圖

3) 觀測的主要內(nèi)容。

a) 初撐力P0.

初撐力P0指支架的初始工作阻力。它的大小與乳化液泵站的工作壓力有關(guān)，且受管路損失和操作質(zhì)量等因素的影響。支架整架初撐力可由式(1)計(jì)算：

(1)

式中：

Qoi—支架初撐時立柱油缸高壓側(cè)的壓力，MPa；

D—支柱油缸內(nèi)徑，mm；

Z—支架立柱數(shù)目。

b) 循環(huán)末阻力Pm.

循環(huán)末阻力Pm指循環(huán)末移架前的工作阻力。正常情況下，循環(huán)末阻力為循環(huán)內(nèi)的最大工作阻力，支架循環(huán)末總阻力可由式(2)計(jì)算：

(2)

式中：

Qmi—循環(huán)末立柱油缸高壓側(cè)的壓力，MPa.

由于支架工作阻力隨時間而不斷發(fā)生變化，所以循環(huán)末阻力還不足以反映支架的全面受力情況。例如，同一支架兩個不同循環(huán)立柱的末阻力可能相近或相等，但在循環(huán)內(nèi)支架立柱的受力狀態(tài)差別卻可能很大。時間加權(quán)平均阻力Pt則可以反映出這一差別。

c) 時間加權(quán)平均阻力Pt.

時間加權(quán)平均阻力Pt指一個采煤循環(huán)內(nèi)以時間為加權(quán)計(jì)算的平均工作阻力。根據(jù)工作阻力與時間的關(guān)系曲線(p-t)可計(jì)算Pt，其值為曲線下所包圍的面積除以受力的總時間。

d) 支護(hù)強(qiáng)度q.

支護(hù)強(qiáng)度q系指支架對頂板的支護(hù)阻力與其支護(hù)面積F的比值。對于掩護(hù)式支架，由于立柱與頂板有一定的夾角，則需要再乘以支護(hù)效率。

e)p-t關(guān)系曲線。

統(tǒng)計(jì)支架的工作特性曲線，即統(tǒng)計(jì)阻力與時間關(guān)系曲線的類型。統(tǒng)計(jì)不同時期(周期來壓與非周期來壓)各種類型關(guān)系曲線所占的百分?jǐn)?shù)，以此分析。

根據(jù)工作面布置情況，沿工作面推進(jìn)方向?qū)⒐ぷ髅娣譃?個區(qū)域，分別為第Ⅰ塊段、第Ⅱ塊段和第Ⅲ塊段，下面分別就3個塊段的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行分析。

3 不同覆巖條件下礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的對比研究

1) 第I塊段。

7131面第Ⅰ塊段覆巖情況見圖2. 在7131工作面第I塊段的開采過程中，發(fā)現(xiàn)工作面中上部(45#～91#支架范圍)普遍存在片幫漏頂現(xiàn)象，尤其以65#～91#支架為主，而工作面中下部基本無片幫和漏頂。

利用數(shù)值模擬手段對其原因進(jìn)行分析：

a) 由Flac數(shù)值模擬的初步結(jié)果發(fā)現(xiàn)，6130工作面開采后，在頂?shù)装逍纬闪艘欢ǚ秶男秹簠^(qū)域。煤層傾角的存在，導(dǎo)致頂板的卸壓區(qū)域向上山方向偏移，而底板卸壓區(qū)域向下山方向偏移，卸壓區(qū)域呈現(xiàn)非對稱性的分布，見圖3.

圖2 7131面第Ⅰ塊段覆巖情況示意圖

圖3 6130工作面開采后頂?shù)装宕怪睉?yīng)力分布情況圖

b) 6130工作面與7130工作面開采完之后，在7130面機(jī)巷和6130面風(fēng)巷之間的未采區(qū)域內(nèi)，形成了一定范圍的應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致7131工作面開采過程中，工作面中上部區(qū)域壓力較大，煤壁片幫明顯，漏頂現(xiàn)象頻繁，而工作面中下部由于上覆6130工作面采動卸壓的影響，壓力相對緩和，煤壁片幫和漏頂現(xiàn)象較少，見圖4.

圖4 7130工作面開采后頂?shù)装宕怪睉?yīng)力分布情況圖

結(jié)合上述數(shù)值模擬的結(jié)果，工作面中上部應(yīng)力集中區(qū)域的存在，導(dǎo)致采動前頂板受高應(yīng)力作用，裂隙較為發(fā)育，在采動超前支承應(yīng)力的綜合影響下，頂板破碎程度大，直接造成工作面煤壁片幫、漏頂?shù)痊F(xiàn)象。

由于工作面下部受采空區(qū)影響，上部支架仍處于實(shí)體煤巖柱區(qū)域下，加之第I塊段煤層頂板分層較多、巖性較軟、整體性差，造成工作面上部區(qū)域頂板破碎現(xiàn)象嚴(yán)重，漏頂、片幫等現(xiàn)象頻繁發(fā)生。分析其來壓規(guī)律發(fā)現(xiàn)，工作面下部區(qū)域頂板完整，來壓步距相對較大，上部區(qū)域頂板來壓步距較小。

2) 第II塊段。

分析認(rèn)為，這種現(xiàn)象與工作面頂板覆巖結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。工作面第II塊段不同開采階段礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的對比見表2.

表2 工作面第II塊段不同開采階段礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的對比表

根據(jù)推進(jìn)不同階段礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的對比分析，得出以下結(jié)論：

a) 中部支架載荷整體較上部和下部偏大，動載系數(shù)偏大，持續(xù)長度也偏長。上部區(qū)域的來壓步距比下部略小，支架載荷相差不大。

b) 采取頂板預(yù)裂爆破措施后，來壓步距、來壓持續(xù)長度整體減小。

工作面1#～44#支架位于上覆6130工作面采空區(qū)下方，7131工作面在開采之前頂板就處于卸壓區(qū)域。同時，由于上覆煤層已經(jīng)回采，61煤層頂板發(fā)生了破斷，基巖頂部的含水層不能充分地將表土層載荷傳遞到基巖頂界面。因此，作用在工作面頂板的載荷作用也相對較小。

在工作面中上部，由于上覆61煤層沒有開采，7131工作面處于初次采動狀態(tài)，因此含水層載荷作用仍然能夠持續(xù)作用到基巖頂界面，影響覆巖的破斷特征。根據(jù)工作面來壓現(xiàn)象及周期來壓特征的分析結(jié)果，認(rèn)為工作面中上部頂板中兩層厚硬砂巖在破斷過程中也屬于整體同步，因此對頂板來壓的影響較為劇烈，而且由于兩層硬巖層及其中間的軟弱夾層在破斷運(yùn)動過程中，形成一個整體，導(dǎo)致其破斷回轉(zhuǎn)過程中，對支架作用時間較長，而且來壓期間的載荷也相對較大。

因此，從弱化頂板堅(jiān)硬巖層、防止壓力持續(xù)過大導(dǎo)致頂板下沉量增大從而增加工作面壓架危險(xiǎn)性的角度出發(fā)，需要對頂板的堅(jiān)硬巖層實(shí)施超前預(yù)裂爆破弱化。

3) 第III塊段。

工作面進(jìn)入第III塊段之后，覆巖均處于未受采動影響的狀態(tài)，同樣對工作面回采過程中，就上、中、下不同區(qū)域支架來壓特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與對比。9月8日—12月20日工作面來壓特征情況統(tǒng)計(jì)表見表3. 由表3可以看出，工作面整體上來壓步距與第II塊段相比減小，在16.2～22.4 m，工作面下部與上部支架來壓步距較大，中部來壓步距偏小，平均為16.2 m. 工作面中部支架載荷較兩側(cè)偏大，動載系數(shù)中部也偏大，來壓持續(xù)長度與來壓步距的表現(xiàn)特征一致，表現(xiàn)為中部小、兩端大的特征。

表3 9月8日—12月20日工作面來壓特征情況統(tǒng)計(jì)表

由于頂板覆巖結(jié)構(gòu)在整個工作面沒有本質(zhì)上的差異，所以工作面在回采過程中，表現(xiàn)出的來壓特征與傳統(tǒng)的認(rèn)識是一致的，即中部來壓相對劇烈，上、下部支架阻力相對較小，來壓相對緩和。

4 總 結(jié)

本文分析了不同塊段工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律出現(xiàn)差異的主要原因，不同塊段含水層載荷傳遞作用的不同導(dǎo)致了工作面覆巖結(jié)構(gòu)特征的差異，使得不同覆巖破斷特征條件下工作面礦壓顯現(xiàn)特征出現(xiàn)了明顯差異。不同階段頂板巖性完整程度的不同以及頂板預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)方案差異所引起的頂板弱化程度不同，也是導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)特征不同的重要原因。

[1] 劉新杰,張 信,林 超.薄煤層綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].山東煤炭科技，2011(1):18-21.

StrataBehaviorLawinCoalFaceunderDifferentStrataConditions

LIJin

Taking the first mining face of a coal mine as the research background, the paper studies the law of rock pressure behavior under different overburden conditions. Load differs in transformation in different aquifers block lead to differences in overburden rock structure characteristics. There is an obvious difference in strata behavior under the condition of strata breakage. Roof weakening is not the same due to difference in roof integrity, in stages and in the design schemes for roof pre-fracturing blasting that bring about the different characteristics of the rock pressure in the working face.

First mining face; Strata conditions; Mine pressure behavior

·試驗(yàn)研究·

2017-07-28

李 晉(1989—)，男，山西原平人，2012年畢業(yè)于太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院，助理工程師，主要從事煤礦調(diào)度工作(E-mail)1557519378@qq.com

TD323

B

1672-0652(2017)10-0009-04