近距離煤層開采的礦壓顯現(xiàn)

宋 權(quán)

(山西省大同煤礦集團(tuán)地煤公司，山西 大同 037001)

引 言

以往的研究中，國內(nèi)外研究專家一般會將礦山壓力顯現(xiàn)的研究集中在一般開采條件的單一工作面當(dāng)中，很少有研究者對近距離煤層開采所具有的壓力顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行分析。對于礦山壓力來說，近距離煤層工作面由于巷道布置和支護(hù)方式獨(dú)特，因此在壓力顯現(xiàn)方面其規(guī)律也值得認(rèn)真分析。對于近距離煤層開采來說，研究其壓力顯現(xiàn)規(guī)律能夠?qū)崿F(xiàn)頂板控制，提升生產(chǎn)安全。

1 近距離煤層工作面礦壓觀測

現(xiàn)階段在近距離煤層礦壓觀測方法當(dāng)中，一般工作人員會對工作面下部煤層的上覆巖層運(yùn)動特征進(jìn)行觀察，從而掌握在近距離煤層當(dāng)中，煤層之間存在何種基本結(jié)構(gòu)，以及基本頂結(jié)構(gòu)和覆巖結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，最終形成礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的分析[1]。本文在進(jìn)行研究時(shí)，針對某綜放開采條件的礦山中A、B、C三個(gè)工作面進(jìn)行觀測，并借助觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

1.1 觀測A工作面的礦壓

A工作面走向長度為800 m，北部為S08斷層，南部為預(yù)計(jì)采終線，淺部界限為S05斷層，深部界限為運(yùn)輸順槽。工作面總面積約10.5萬m2，傾斜長度140 m。工作面所面向的煤層為單一煤層，煤層厚度平均4.83 m，最厚處為6.13 m，傾角為5°～30°，夾矸層不足2層，結(jié)構(gòu)簡單。在煤層當(dāng)中，亮煤賦存量最多，為節(jié)理發(fā)育，煤層硬度f系數(shù)平均為2.3，含矸率4.8%，發(fā)火期約為45 d。工作面上方為采空區(qū)，泥巖厚度平均1.83 m，作為工作面的直接頂，粉砂巖厚度平均2.81 m，是工作面的直接底?；谶@一工作面特征，煤礦開采技術(shù)選擇了綜采放頂煤開采法，結(jié)合工作面走向，實(shí)現(xiàn)長壁后退，上下兩端使用ZFG型支架，并利用采煤機(jī)進(jìn)行前后滾筒割煤，完成開采。為了能夠?qū)工作面的礦壓進(jìn)行觀測，根據(jù)在工作面當(dāng)中所使用的液壓支架，以7∶1的比例設(shè)置了12個(gè)壓力檢測分站，又根據(jù)工作面所具有的傾斜煤層，在將工作面分為5個(gè)測區(qū)，利用支架上方的頂板變化實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)記錄，完成壓力顯現(xiàn)特征的變化觀測。

1.2 觀測B工作面的礦壓

B工作面長度為650 m，總面積8.6萬m2，傾斜長度124 m。工作面煤層為復(fù)合煤層，煤層內(nèi)部為褐煤，夾矸巖性多泥巖，層數(shù)達(dá)到3層，厚度約為0.58 m，含矸率5.8%。直接頂和直接底均為細(xì)砂巖和泥巖組成，直接頂為灰白色，平均厚度1.3 m，直接底為灰黑色，遇水膨脹，平均厚度為2.75 m。與A工作面相同，B工作面也采用了綜采放頂煤采煤法，實(shí)現(xiàn)工作面走向長壁后退，工作面上下端用ZFG型過渡支架進(jìn)行支護(hù)，運(yùn)用采煤機(jī)進(jìn)行前后滾筒割煤，完成開采。與A工作面相似，B工作面選用了8個(gè)壓力檢測分站，通過對支架頂板變化進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

1.3 觀測C工作面的礦壓

C工作面長度為430 m，總面積6.8萬m2，傾斜長度150 m，為該礦山井田煤柱線的延伸。工作面所面向的煤層為單一煤層，結(jié)構(gòu)較為簡單，煤層厚度變化大，呈現(xiàn)由南向北厚度增加的趨勢，傾斜角度平均32°，煤層最大厚度為6.31 m，最小厚度為4.28 m，夾矸厚度0.28 m，夾矸巖性為泥巖，含矸率3.93%，煤層為褐煤，自然發(fā)火期45 d左右。煤層上部采空區(qū)煤層厚度1.73 m，開采工藝當(dāng)中所使用的放頂煤支架要求煤層厚度為2.5 m以上，因此采空區(qū)煤層不予開采。采煤施工工藝與監(jiān)測方法，與A、B工作面相一致。采用ZFG型過渡支架，并運(yùn)用采煤機(jī)進(jìn)行前后滾筒割煤，完成開采。運(yùn)用一定比例壓力監(jiān)測分站，對支架所對應(yīng)頂板壓力變化進(jìn)行記錄，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的搜集和統(tǒng)計(jì)。

2 近距離煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

本文所選用的壓力監(jiān)測分站的數(shù)據(jù)采集和觀測方式，完成了8 h加權(quán)平均工作阻力坐標(biāo)，進(jìn)而繪制出5個(gè)測區(qū)支架平均工作阻力在工作面上的壓力變化曲線，結(jié)合曲線對三個(gè)工作面的礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

2.1 A工作面礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)

在A工作面當(dāng)中，在對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，可以看出，工作面的初次來壓步距約為20.1 m，且整個(gè)工作面的初次來壓時(shí)間相同，來壓期間，工作面動載系數(shù)1.15，支架阻力最高超過6 000 kN，表明工作面的基本頂巖層出現(xiàn)破裂，工作面支架阻力極高。在與5個(gè)測區(qū)的周期來壓進(jìn)行對比后，可以將A工作面的礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)分析。初次來壓步距20.1 m，周期來壓步距18.3 m，其中初次來壓強(qiáng)度約為6 529 kN，占額定阻力87%，周期來壓支架工作阻力6 157 kN，占額定工作阻力79.1%，非來壓期間平均阻力約5 694 kN，占額定工作阻力70.4%，可以表明工作面的周期來壓強(qiáng)度不高，持續(xù)時(shí)間短，工作面支架能夠承受。在來壓期間，上部測區(qū)相較于下部測區(qū)的工作阻力、動載系數(shù)為低，因此表明工作面下部來壓強(qiáng)烈[2]。

2.2 B工作面礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)

在對B工作面進(jìn)行觀測之后，發(fā)現(xiàn)B工作面的初次來壓步距約為18.2 m，周期來壓的步距約為17.4 m，初次來壓與周期來壓步距差距較小。其中初次來壓強(qiáng)度約為6 009 kN，占額定阻力80.2%，動載系數(shù)1.17，周期來壓支架工作阻力6 213 kN，占額定工作阻力81.1%，非來壓期間平均阻力約5 223 kN，占額定工作阻力65.7%，可以表明工作面的周期來壓強(qiáng)度不高，持續(xù)時(shí)間短，工作面支架能夠承受。在來壓期間，對5個(gè)測區(qū)進(jìn)行分析，可以看出，中部測區(qū)相較于上部測區(qū)和下部測區(qū)，動載系數(shù)更高，表明工作面在來壓時(shí)中部更加劇烈。

2.3 C工作面礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)

在完成了C工作面的觀測之后，發(fā)現(xiàn)C工作面面初次來壓步距約為30.6 m，周期來壓步距平均21.2 m。其中初次來壓強(qiáng)度約為6 884 KN，占額定阻力88.4%，動載系數(shù)1.24，周期來壓支架工作阻力6 478 kN，占額定工作阻力85.5%，非來壓期間平均阻力約5 368 kN，占額定工作阻力71.5%，可以表明工作面的周期來壓強(qiáng)度不高，持續(xù)時(shí)間短，工作面支架能夠承受。在來壓期間，對五個(gè)測區(qū)進(jìn)行分析，可以看出，中部測區(qū)相較于上部測區(qū)和下部測區(qū)，動載系數(shù)更高，表明工作面在來壓時(shí)中部更加劇烈[3]。

2.4 三個(gè)工作面礦壓顯現(xiàn)的對比分析

三個(gè)工作面都是目前近距離煤層開采的典型工作面，在對三個(gè)工作面分別進(jìn)行了觀測和來壓分析后，可以得出目前近距離煤層開采工作面的礦壓顯現(xiàn)的特點(diǎn)。通過數(shù)據(jù)對比，將三個(gè)工作面的來壓步距、平均支護(hù)阻力、額定阻力占比、動載系數(shù)等重要數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和平均計(jì)算，得出以下特點(diǎn)分析。

首先，三個(gè)工作面在初次來壓或周期來壓過程中，來壓動載系數(shù)都較低，平均動載系數(shù)僅為1.19，說明近距離工作面的礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)使來壓顯現(xiàn)不明顯，支架受力主要為靜載。在工作面中，A工作面和C工作面由于煤層間距較小，使得煤層之間并沒有基本頂結(jié)構(gòu)，從而形成了較高層位的巖層，在擁有松散破碎的碎矸石作為墊層后，能夠形成厚度較大、穩(wěn)定性高的巖層，從而使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)所形成的動態(tài)載荷無法全部作用于支架上，使動載系數(shù)降低。

其次，三個(gè)工作面的來壓步距波動大，并不均勻，且呈現(xiàn)出明顯的周期性變化，這說明周期性失穩(wěn)表現(xiàn)在上覆巖層的不同層位，從而影響了整體步距。

第三，B工作面的初次來壓和周期來壓與A、C工作面相比，都呈現(xiàn)出步距較小的特點(diǎn)，這是由于B工作面作為復(fù)雜構(gòu)造巖層，工作面與上部煤層之間間距不大，層次之間無法在來壓時(shí)形成基本頂，則出現(xiàn)煤層關(guān)鍵層的破斷，因此可以獲知，來壓步距的變化與煤層是否形成基本頂有著密切關(guān)系。

最后，在對比三個(gè)工作面的動載系數(shù)后，可以發(fā)現(xiàn)，C工作面的動載系數(shù)明顯高于A、B兩個(gè)工作面，這表明基本頂?shù)闹芷谛詳嗔咽菚饔糜趧虞d系數(shù)的變化的重要因素之一，在近距離煤層當(dāng)中，如果

存在堅(jiān)硬基本頂，那么工作面將會受到來自上部關(guān)鍵層和本層基本頂?shù)碾p重作用，造成動載系數(shù)增加。

3 結(jié)論

在近距離煤層當(dāng)中，礦壓顯現(xiàn)的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在煤層工作面的來壓步距、動載系數(shù)和支架承受能力等方面，對礦壓顯現(xiàn)的特點(diǎn)進(jìn)行判斷可以了解到不同煤層工作面的礦壓狀態(tài)，并制定符合礦壓狀態(tài)的支護(hù)方案，從而提升生產(chǎn)安全。

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