近水平綜放工作面頂板規(guī)律及控制研究

左朝宇

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000 ）

1 概況

豹子溝煤業(yè)10101工作面主采10+11號(hào)煤層，煤層厚度平均7.03m，含1～5層夾石層，煤層傾角較小，屬于近水平煤層，開采工藝為綜合機(jī)械化放頂煤開采，水文地質(zhì)條件屬中等類型，頂板為厚層的K2石灰?guī)r，致密，堅(jiān)硬，穩(wěn)定性好，局部地段由于裂隙發(fā)育，頂板較破碎，底板以泥巖或粉砂巖為主，屬穩(wěn)定較好底板。

2 直接頂和老頂垮落規(guī)律理論分析

2.1 直接頂初次垮落理論分析

（1）初垮巖層厚度

10101工作面開切眼沿煤層頂板布置，割煤后不斷下行至推進(jìn)30m處到達(dá)10#煤層底板（此時(shí)煤厚5.3m），開始沿底板割煤。頂煤的厚度是隨工作面推進(jìn)不斷增大，而且工作面初次來壓之前不放頂煤，冒落的頂煤會(huì)遺留在采空區(qū)。

開采后直接頂泥質(zhì)灰?guī)r下部運(yùn)動(dòng)空間[1-2]為：

式中：

△1-頂板泥質(zhì)灰?guī)r下部運(yùn)動(dòng)空間，m；

T-頂煤厚度，0～2.5m。

代入?yún)?shù)計(jì)算得△1=1.925～2.8m。滿足△1＞m1，直接頂泥質(zhì)灰?guī)r顯然會(huì)垮落。頂煤和直接頂垮落時(shí)，老頂石灰?guī)r下部運(yùn)動(dòng)空間為：

式中：

△2-老頂下部運(yùn)動(dòng)空間，m；

m1-直接頂厚度，0.68m。

代入?yún)?shù)計(jì)算得△2=1.687～2.562m。滿足△2＜m2，頂板②顯然不會(huì)垮落。

綜上可知，初垮巖層最大厚度為頂煤和直接頂厚度之和，即MZ=T+m1=3.18m。

（2）直接頂初垮步距和周期垮落步距

根據(jù)計(jì)算，直接頂為厚度0.68m的泥質(zhì)灰?guī)r，按簡(jiǎn)支梁計(jì)算：

式中：

LOZ-直接頂初次斷裂步距，m；

LZ-直接頂周期垮落步距，m；

MZ-直接頂厚度，m；

[σt]-直接頂抗拉強(qiáng)度，MPa；

γZ-直接頂巖層容重，取25kN/m3。

代入?yún)?shù)計(jì)算得LOZ=8.1m和LZ=3.3m，即直接頂初次斷裂步距為8.1m和周期垮落步距為3.3m。

2.2 老頂來壓規(guī)律理論分析

老頂初次來壓步距計(jì)算公式：

式中：

C0-老頂初次來壓步距，m；

Ms-支托層厚度，Ms=m2=11.44m；

[σt]-支托層抗拉強(qiáng)度，取3.93～4.24MPa；

γ-頂板巖層容重，取25kN/m3。

代入?yún)?shù)計(jì)算得C0=52.8～54.8m。

（2）老頂初次來壓期間，工作面頂板下沉量

廣東海事局局長陳畢伍表示，廣東毗鄰東南亞，水網(wǎng)發(fā)達(dá)，人們水上日常出行、旅游等活動(dòng)頻繁，廣東珠江口海域和瓊州海峽涉客渡運(yùn)近10年來保持零事故、零死亡紀(jì)錄，得益于廣東致力建立安全、便捷、高效、綠色的現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系和共商共建共享共治的安全社會(huì)治理體系。愿與各國分享“廣東經(jīng)驗(yàn)”，共同為亞太地區(qū)的渡運(yùn)安全和人民群眾安全出行貢獻(xiàn)力量。

老頂初次來壓時(shí)，工作面最大頂板下沉量為：

式中：

△h0A-老頂初次來壓時(shí)，工作面最大頂板下沉量，mm；

SA-老頂尾部下沉量，根據(jù)計(jì)算為1489mm。

代入?yún)?shù)計(jì)算得△h0A=299mm。

3 礦壓規(guī)律實(shí)測(cè)

3.1 采空區(qū)垮落情況實(shí)測(cè)

10月23日～11月9日對(duì)10101綜放工作面采空區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，10月23日冒落了1.5m左右的矸石（主要受機(jī)頭處F9斷層的影響），自11月1日起，工作面開始陸續(xù)有部分頂板發(fā)生冒落，此時(shí)工作面推進(jìn)度約為25.5m，單次冒落高度最大約為2m，累計(jì)冒落高度（包含冒落頂煤）約為4.5～5m。根據(jù)頂板冒落后堆積高度，可推算出實(shí)際垮落巖層厚度，代入公式可得實(shí)際垮落巖層厚度3.46～3.85m，平均3.65m。

3.2 老頂初次來壓

工作面頂煤目前隨采隨垮，而且沒有理論意義上的直接頂[3]，部分基本頂轉(zhuǎn)化為直接頂后垮落強(qiáng)度也不大，因此如果工作面出現(xiàn)面積較大的礦山壓力顯現(xiàn)，很有可能是發(fā)生了基本頂初次來壓[4-5]。

通過10101工作面礦山壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)得到初采階段礦壓數(shù)據(jù)，顯示11月9日至11月13日工作面出現(xiàn)較大的礦山壓力顯現(xiàn)，推斷是工作面老頂初次來壓。分別在工作面上、中、下三部分，選擇具有代表性的 8個(gè)測(cè)點(diǎn)即 18#、22#、46#、50#、54#、58#、86#和90#支架，繪出支架工作阻力曲線圖如圖1所示，統(tǒng)計(jì)得到8個(gè)支架頂板初次來壓步距見表1。

表1 初次來壓步距統(tǒng)計(jì)

圖1 部分支架工作阻力曲線圖

由圖1和表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知：頂板初次來壓步距均值為43.36m，持續(xù)壓力顯現(xiàn)步距均值為3.74m，初次來壓壓力均值為5819kN，與理論計(jì)算的來壓步距均值相差不大；頂板初次來壓步距離散性小，持續(xù)壓力顯現(xiàn)步距離散性較大，機(jī)頭和工作面中部持續(xù)壓力顯現(xiàn)步距較大；初次來壓壓力統(tǒng)計(jì)值22#、46#支架離散性較大。

4 周期來壓參數(shù)預(yù)計(jì)及頂板控制方案

4.1 周期來壓參數(shù)預(yù)計(jì)

根據(jù)初次來壓步距和來壓強(qiáng)度確定基本頂初次運(yùn)動(dòng)具體參數(shù)，但由于頂板部分巖層受多因素影響轉(zhuǎn)化為直接頂提前垮落。但在周期來壓過程中該部分垮落巖層是繼續(xù)以直接頂?shù)男问娇迓?，還是和其余部分一起運(yùn)動(dòng)，存在著不確定性。所以在周期來壓預(yù)計(jì)過程中對(duì)兩種情況分別進(jìn)行分析，即一種是基本頂部分巖層繼續(xù)以直接頂形式垮落，另一種是基本頂部分巖層不再垮落。

根據(jù)計(jì)算公式可得第一種情況和第二種情況基本頂周期來壓步距分別為19.1～19.9m和21.6～22.4m，基本頂周期來壓強(qiáng)度分別為0.66～0.68MPa和 0.78～0.81MPa，工作面頂板下沉量分別為913mm和960mm。

4.2 頂板控制方案

根據(jù)周期來壓參數(shù)預(yù)計(jì)，提出控制頂板方案：

（1）控制放煤量。因?yàn)樯俜琶荷踔敛环琶?，在采空區(qū)內(nèi)遺留頂煤支撐頂板, 當(dāng)預(yù)留頂煤全部充填采空區(qū)時(shí)，工作面頂板下沉量可控制在439mm，大大改善頂板控制狀態(tài)。

（2）合理留置采空區(qū)冒落頂煤時(shí)間。采空區(qū)墊層最有利的留置位置取決于基本頂來壓步距和來壓時(shí)頂板斷裂線相對(duì)煤壁位置，采空區(qū)墊層應(yīng)留置在頂板斷裂位置下方，考慮到來壓過程中頂板的回轉(zhuǎn)沉降，該部位墊層和頂板之間的距離最小，即便墊層不能充填采空區(qū)高度，也能保證頂板來壓過程中沉降值最小，工作面受到的動(dòng)壓沖擊也最小。假定來壓結(jié)束時(shí)工作面頂板斷裂線位于煤壁上部附近，則墊層最有利的位置應(yīng)在該斷裂線正下方，即應(yīng)該在頂板來壓期間停止工作面放煤，此后正常放煤至下一次頂板來壓。

（3）合理確定煤垛步距。通過計(jì)算可知，5個(gè)割煤步距后的頂煤不放出，全部留置在采空區(qū)內(nèi)，冒落頂煤堆積成煤垛形態(tài)為一個(gè)四邊形。因此，保證采空區(qū)最低充填要求的不放煤距離為5個(gè)割煤步距之和，約4m。

5 結(jié)語

針對(duì)豹子溝煤業(yè)首采綜放工作面礦壓規(guī)律不明確等問題，采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出直接頂和老頂?shù)目迓鋮?shù)，同時(shí)對(duì)工作面的周期來壓參數(shù)進(jìn)行預(yù)計(jì)，提出了合理頂板控制方案，為相似地質(zhì)工作面礦壓規(guī)律研究提供了借鑒作用。