某礦采空區(qū)下近距離特厚煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

戴文祥 喬 慶 楊富逍

(1.中煤大同能源有限責任公司；2.中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院)

隨著我國機械化裝備水平的提高，發(fā)展出了適用于特厚煤層開采的大采高綜采放頂煤技術[1-2]。我國中西部許多礦井賦存著特厚煤層，而當特厚煤層上方覆巖為近距離采空區(qū)時，受上方采動影響，下方煤巖體裂隙增多，完整性遭到一定程度破壞；采空區(qū)內(nèi)垮落巖塊不均勻，部分區(qū)域應力集中，可能造成工作面支架受力不均，工作面頂板控制困難。因此，采空區(qū)下近距離特厚煤層綜放礦壓顯現(xiàn)規(guī)律是一個重要的課題。

長期以來，國內(nèi)外學者對特厚煤層的開采理論和技術進行了許多研究，取得了許多研究成果。劉寶珠等[3]采用現(xiàn)場礦壓觀測和數(shù)值模擬對唐山礦特厚煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了分析研究。于斌[4]研究了石炭系特厚煤層綜放工作面強礦壓顯現(xiàn)機理，提出了工作面強礦壓的控制方法與技術途徑。范苑[5]運用理論分析、力學實驗、現(xiàn)場觀測、數(shù)值模擬等研究手段，對近距離特厚煤層的回采工藝、采區(qū)巷道布置以及煤柱留設等關鍵問題進行了研究。張勛[6]采用現(xiàn)場調(diào)研、理論分析、相似模擬實驗、現(xiàn)場觀測等研究方法，分別對侏羅系近距離煤層群、石炭系特厚煤層開采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及控制技術進行研究。龐成等[7]以某煤礦15 m特厚煤層為實例，結合離散元法數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測的方法對首采工作面礦壓規(guī)律進行研究。劉潤民等[8]通過長期現(xiàn)場實測，結合理論分析和工作面現(xiàn)場情況，得出了特厚煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。劉志丹[9]通過采用現(xiàn)場調(diào)研、礦壓實測、實驗室力學試驗、理論分析、計算機數(shù)值模擬等研究方法，進行了極近距離煤層采空區(qū)下綜放面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及控制研究。李晨陽[10]通過理論分析、實驗室試驗以及數(shù)值模擬等研究方法，對采空區(qū)下近距離煤層綜放面壓架機理及控制進行了研究。李曉坡[11]采用現(xiàn)場實測、理論分析和數(shù)值模擬相結合的手段，運用畢肖普(Bishop)條分法基本原理，對采空區(qū)下特厚煤層大采高綜放工作面煤壁穩(wěn)定性及控制進行了研究。曹金鐘等[12]綜合運用多種現(xiàn)場實測的方法，對采空區(qū)下特厚煤層綜放開采回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實測分析。

以往的研究大多是針對近距離厚煤層綜采及單一厚煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對于采空區(qū)下近距離特厚煤層綜放開采的研究較少，研究采空區(qū)下近距離特厚煤層綜放開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律對于指導類似地質(zhì)條件煤層開采具有重要意義。

1 工作面概況

中煤塔山礦2#煤層已采空，現(xiàn)在開采30501工作面，工作面層位關系見圖1。30501工作面位于3-5#煤層，上距2#煤層1.55～6.67 m，平均為4.35 m，煤層厚15.72～26.77 m，平均為17.93 m，傾角為0°～5°，埋深約400 m，結構極復雜，夾矸一般為5～11層以上，巖性多為高嶺質(zhì)泥巖或炭質(zhì)泥巖。偽頂巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚0.2～0.5 m；直接頂巖性為高嶺質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖，厚3～5 m；基本頂巖性為中粗砂巖，厚6～15 m；底板巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖，厚0.8～3.2 m。工作面傾斜長180 m，走向長1 850 m，采用放頂煤采煤方法，采高為4 m,放煤步距為0.8 m，雙滾筒機雙向割煤，端部斜切進刀，往返一次割2刀；工作面采用ZF15000/25/45D型大采高放頂煤液壓支架、ZFG13000/27.5/42D型過渡液壓支架和ZTZ20000/25/45型端頭支架。

圖1 工作面布置

2 礦壓觀測方案

由于30501工作面全部位于10201工作面采空區(qū)下方，通過礦壓在線監(jiān)測系統(tǒng)觀測工作面支架阻力和采場礦壓。本次研究將沿工作面運輸方向分為上中下3個測區(qū)，1#～30#支架作為工作面上部測區(qū)，31～60#支架作為工作面中部測區(qū)，61～89#支架作為工作面下部測區(qū)，即鄰近回風巷一側。為方便數(shù)據(jù)統(tǒng)計，選取具有代表性的5#、15#、25#、35#、45#、55#、65#、75#、85#液壓支架的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。由于頂煤提前放出后，后柱支護阻力往往偏低，不能夠反映支架真實承壓狀況，因此，一般選取前柱支護阻力作為分析對象。30501工作面支架阻力監(jiān)測分區(qū)布置見圖2。

圖2 30501工作面支架工作阻力監(jiān)測分區(qū)布置

3 礦壓觀測結果與分析

3.1 初采期間

選取工作面初采期間數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，該階段工作面大約推進220 m，基本達到工作面“見方”處。根據(jù)該階段總的推進度計算，工作面平均完成3.7個循環(huán)/d，循環(huán)進尺為0.8 m，平均進尺為2.97 m/d。對該階段工作面推進的前220 m范圍內(nèi)支架工作阻力分析發(fā)現(xiàn)，期間共發(fā)生了9～10次來壓。依據(jù)統(tǒng)計學原理，支架平均循環(huán)阻力與其標準差之和作為頂板來壓判據(jù)：

(1)

(2)

(3)

整理實測數(shù)據(jù)，代入式(1)～式(3)可求得不同測站支架的來壓判據(jù)值，見表1。

習慣上常以動載系數(shù)k作為衡量基本頂周期來壓強度指標，動載系數(shù)可表示為

k=pz/pf,

(4)

式中，pz為周期來壓期間支架平均工作阻力，MPa；pf為非周期來壓期間支架平均工作阻力，MPa。

由各支架的來壓判據(jù)值得出工作面基本頂?shù)膩韷翰骄?，?為工作面來壓規(guī)律統(tǒng)計，表3為工作面周期來壓步距統(tǒng)計。通過分析，可以得到30501工作面頂板來壓有如下特點：

表1 不同測站支架來壓判據(jù)計算值

表2 工作面來壓規(guī)律統(tǒng)計

表3 工作面周期來壓步距規(guī)律統(tǒng)計

(1)基本頂初次來壓步距為20.4～36.8 m，平均為26.6 m；周期來壓步距為6.8～39.3 m，平均為18.5 m。整體看，工作面來壓步距離散性較大，差別較大，規(guī)律性較差，已破斷基本頂巖塊的不規(guī)則形狀及尺寸是30501工作面支架來壓步距離散性較大的主要原因。

(2)上部測區(qū)支架初次來壓步距為27.6～36.8 m，平均為31 m，周期來壓步距為8.2～39.3 m，平均為19.3 m；中部測區(qū)支架初次來壓步距為20.4～27.6 m，平均為23.9 m，周期來壓步距為6.8～31.2 m，平均為18.1 m；下部測區(qū)支架初次來壓步距為21.8～28.6 m，平均為25 m，周期來壓步距為8.2～31.4 m，平均為18.1 m。由此看出，工作面初次來壓步距呈現(xiàn)中下部較小、上部較大的特點，周期來壓步距則基本呈現(xiàn)大致相同的特點，工作面上部略大。

(3)工作面推進220 m過程中，55#、75#、85#支架記錄到10次周期來壓，5#、15#、25#、35#、45#、65#支架記錄到9次周期來壓。

(4)各個測點初次來壓期間的支架平均工作阻力在28.8～31.9 MPa，為支架額定工作阻力的78.1%～86.5%，初次來壓前支架平均工作阻力在24.5～27.3 MPa，為支架額定工作阻力的66.5%～74.1%。初次來壓期間，與支架的額定工作阻力相比，阻力富余較大，來壓情況正常。周期來壓期間，支架平均工作阻力在29.5～31.9 MPa，為支架額定工作阻力的80.0%～86.5%，非周期來壓期間支架平均工作阻力在23.3～26.9 MPa，為支架額定工作阻力的63.2%～73.0%。非周期來壓期間支架阻力富余較大，從歷次來壓情況來看，下部測區(qū)75#支架在第7次周期來壓末，產(chǎn)生了51 MPa的超強支護阻力?？傮w來看，其余支架在周期來壓期間基本保持了正常的工作狀態(tài)。

(5)工作面初次來壓期間動載系數(shù)為1.11～1.27，平均為1.19，總體看，初次來壓期間動載系數(shù)不大，表明初次來壓強度不大。工作面周期來壓動載系數(shù)屬正常波動狀態(tài)，為1.15～1.30，平均為1.22，動載系數(shù)偏小，表明頂板受特厚頂煤緩沖作用，使工作面周期來壓強度較小。

3.2 正常回采期間

對30501綜放工作面正?；夭善陂g的支架工作阻力進行二次分析，這期間工作面推進約214 m，根據(jù)該階段總的推進度計算，工作面平均完成2.94個循環(huán)/d，循環(huán)進尺為0.8 m，平均進尺為2.35 m/d。此次選取工作面上、中、下具有代表性的20#、50#、80#支架阻力進行分析，對該階段工作面的支架工作阻力分析發(fā)現(xiàn)，這期間共發(fā)生了8～9次來壓。

依據(jù)頂板來壓判據(jù)公式，整理實測數(shù)據(jù)，代入其中可求得不同測站支架的來壓判據(jù)值，見表4。

表4 不同測站支架來壓判據(jù)計算值

30501工作面放煤后容易出現(xiàn)支架后立柱接頂不良的狀況，故選擇支架前柱來壓值作為周期來壓判據(jù)。根據(jù)礦壓觀測數(shù)據(jù)，以工作面距開切眼的推進距離為橫坐標，繪制液壓支架工作阻力隨工作面推進距離的變化曲線，其中，選擇液壓支架工作阻力每日的循環(huán)阻力平均值作為本次曲線繪制的數(shù)值，見圖3。

圖3 工作面液壓支架工作阻力變化曲線

根據(jù)圖3可以得到30501工作面正?；夭善陂g頂板來壓有如下特點：

(1)工作面周期來壓步距為6～44.6 m，平均為17.8 m。整體來看工作面來壓步距離散性比較大，且工作面內(nèi)各支架來壓步距差別較大，并未呈現(xiàn)出較為規(guī)律的整體來壓步距。

(2)工作面上部支架(20#)周期來壓步距平均為19.1 m；工作面中部支架(50#)周期來壓步距平均為17.1 m；工作面下部支架(80#)周期來壓步距平均為17.5 m。

(3)20#支架記錄到了8次周期來壓，50#支架記錄到了11次周期來壓，80#支架記錄到了10次周期來壓。

(4)工作面周期來壓期間，礦壓顯現(xiàn)不強烈，現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)支柱活柱下縮量也較小，來壓期間煤壁壓力較小，沒有發(fā)生大面積片幫現(xiàn)象，加之本身放頂煤工作面來壓強度不大，因而30501工作面來壓強度顯得更小。非來壓期間，支架工作阻力相對適中，基本上在24～28 MPa，說明支架選型基本滿足現(xiàn)場生產(chǎn)實際。

4 支架承載特性及其適應性分析

4.1 初撐力分析

為了分析支架初撐力及其對工作面的適應性，根據(jù)30501工作面支架阻力統(tǒng)計，作出現(xiàn)場實測期間8和9月份支架載荷分布的頻率直方圖，見圖4。

從圖4(a)中可以看出，整面支架初撐力主要集中在10～30 MPa，占統(tǒng)計總數(shù)的93.75%，達到額定初撐力80%(25.2 MPa)的支架占總數(shù)20.5%，而超過30 MPa的支架只有3.13%；從圖3(b)可以看出，整面支架初撐力主要集中在10～30 MPa，達到統(tǒng)計總數(shù)92.58%，超過額定初撐力80%(25.2 MPa)的支架占18.14%，而超過30 MPa的支架只有3.97%。通過分析支架初撐力分布狀態(tài)可以得出，30501工作面支架初撐力處于較低水平，支架工作效能沒有得到充分發(fā)揮。

圖4 各段時間支架初撐力分布

4.2 工作阻力分析

對所測的9個支架的工作阻力按阻力區(qū)間5 MPa 進行統(tǒng)計分析，計算出支架工作阻力在各阻力區(qū)間的百分比。工作面支架工作阻力頻率分布直方圖見圖5。

圖5 工作面支架循環(huán)工作阻力頻率分布

從圖5可以看出，工作面支架循環(huán)工作阻力主要分布在15～35 MPa，占統(tǒng)計總數(shù)的72.74%，達到支架額定初撐力值(32.5 MPa)的支架數(shù)量占27.66%，超過支架額定工作阻力(38.5 MPa)的支架占11.11%，低于額定工作阻力80%(30.8 MPa)的支架占總數(shù)的70.34%，該工作面的支架工作阻力有一定的利用，但是，低于額定工作阻力的支架占很大比重，說明支架工作阻力還有一定的余量，支架能夠滿足支護頂板的要求。支架工作阻力的分布區(qū)間基本呈現(xiàn)出正態(tài)分布的特征，說明工作面整體支架處于相對較好的阻力分布狀態(tài)。

5 結 論

(1)工作面初采期間，工作面初次來壓步距呈現(xiàn)中下部較小、上部較大的特點，周期來壓步距則基本呈現(xiàn)大致相同的特點，工作面上部略大。初次來壓動載系數(shù)平均為1.19，整體來壓強度較小，來壓步距離散性較大，局部偶有壓力異常顯現(xiàn)。工作面周期來壓動載系數(shù)平均為1.22，動載系數(shù)偏小，屬正常波動狀態(tài)，表明頂板受特厚頂煤緩沖作用，使工作面周期來壓強度較小。

(2)工作面正常回采期間，周期來壓步距為6～44.6 m，平均為17.8 m。整體來看，工作面來壓步距離散性比較大，且工作面內(nèi)各支架來壓步距差別較大，并未呈現(xiàn)出較為規(guī)律的整體來壓步距。發(fā)生周期來壓時，礦壓顯現(xiàn)不強烈，現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)支柱活柱下縮量也較小，來壓期間煤壁壓力較小，沒有發(fā)生大面積片幫現(xiàn)象，加之本身放頂煤工作面來壓強度不大，因而30501工作面來壓強度顯得更小。

(3)通過對中煤塔山特厚煤層綜放工作面支架工作阻力進行了現(xiàn)場實測，支架阻力基本上近似為正態(tài)分布，支架工作狀態(tài)較為穩(wěn)定，礦壓觀測結果驗證了工作支架選型合理，支架能夠滿足綜放開采工作面頂板控制要求。