房采區(qū)下覆綜采工作面礦壓規(guī)律實(shí)測(cè)分析

李建平

(山西焦煤集團(tuán) 介休正益煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032099)

神東礦區(qū)眾多煤礦在開(kāi)采初期采用了房柱式采煤法，隨著采煤方法的改革，目前下部煤層多采用長(zhǎng)壁式進(jìn)行回采，致使部分下部煤層綜采工作面布置在房采采空區(qū)下，使房采區(qū)下綜采工作面頂板控制出現(xiàn)了嚴(yán)重挑戰(zhàn)[1-4]. 上覆房采區(qū)大采高煤柱受下部煤層采動(dòng)應(yīng)力的影響，極可能出現(xiàn)“多米諾”式的整體失穩(wěn)[5-7]，從而造成頂板切落，工作面煤壁片幫，引發(fā)壓架和傷人事故；房采煤柱集中應(yīng)力的向下傳遞，造成下部煤層回采巷道圍巖應(yīng)力加大，巷道變形控制困難。因此，為保證大柳塔煤礦22202綜采工作面能夠安全回采，需對(duì)工作面回采期間的頂板控制進(jìn)行研究[8-9].

1 工作面開(kāi)采條件

1.1 開(kāi)采地質(zhì)條件

22202工作面為大柳塔礦22煤二盤(pán)區(qū)已回采的大采高綜采工作面，煤層厚度3.7～4.3 m，平均煤厚3.95 m，厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，平均埋深約65 m，煤層傾角1°～3°. 工作面松散層平均厚度約12 m，基巖平均厚度50 m，所以松散層較薄，基巖較厚。22202工作面開(kāi)采區(qū)域正上方為12煤房采采空區(qū)，煤柱基本未垮落，該房采區(qū)采用連采房柱式采煤工藝，房采采高達(dá)到7～7.5 m，采硐寬度5 m，煤柱7 m. 采空區(qū)總面積為11.63萬(wàn)m2，占22202綜采面回采面積的60%左右。12煤與22煤層間距25.8～30.37 m；在回順14聯(lián)行靠近22煤火燒邊界頂幫煤層局部松散變軟。煤層瓦斯含量低，屬二氧化碳～氮?dú)鈳?，煤塵具有爆炸性，屬于易自燃煤層，最短發(fā)火期30天，無(wú)地溫異常。

1.2 工作面頂?shù)装迩闆r

22202綜采工作面煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1.

表1 22202綜采工作面煤層頂?shù)装迩闆r表

1.3 工作面布置和開(kāi)采區(qū)域劃分

1.3.1工作面布置

22202工作面位于武當(dāng)溝風(fēng)井東側(cè)，王渠溝南側(cè)；對(duì)應(yīng)地表有大蘇線、兩條村村通公路，有若干簡(jiǎn)易土路及墳地。該工作面東側(cè)為22400工作面，西側(cè)為22201工作面(已回采)；南側(cè)為22煤主斜井，北側(cè)靠近22煤火燒邊界；回采面上覆為原12煤房采區(qū)。工作面沿煤層走向布置，走向長(zhǎng)度579.4 m，傾斜長(zhǎng)度315.6 m，面積18.11萬(wàn)m2.

1.3.2開(kāi)采區(qū)域劃分

根據(jù)22202工作面上方采空區(qū)煤柱的特點(diǎn)，將工作面面長(zhǎng)方向劃分為5個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)，各區(qū)尺寸和煤柱尺寸如下：

1) 機(jī)頭房采巷道區(qū)：長(zhǎng)530 m，寬50 m，面積約26 500 m2，上方1-2煤煤柱20 m×20 m.

2) 房采小煤柱區(qū)：長(zhǎng)477 m，寬104 m，面積約49 608 m2，煤柱主要為7 m×7 m，有9塊20 m×30 m和20 m×40 m的煤柱，采硐寬5 m.

3) 房采中間隔離煤柱區(qū)：隔離煤柱長(zhǎng)422 m，寬10 m，面積約4 220 m2.

4) 房采大煤柱區(qū)：長(zhǎng)404 m，寬85 m，面積約34 340 m2，其中較小煤柱5 m×15 m，有12塊15 m×40 m煤柱，采硐寬5 m.

5) 機(jī)尾集中煤柱區(qū)：包括1-2煤房采巷道保護(hù)煤柱和大巷巷間煤柱，面積共約24 325 m2；房采巷道保護(hù)煤柱長(zhǎng)405 m，通條煤柱寬35 m，面積約14 175 m2；大巷巷間單條煤柱長(zhǎng)15～60 m，寬15 m，總煤柱面積約10 150 m2.

2 工作面礦壓規(guī)律實(shí)測(cè)

頂板運(yùn)動(dòng)步距主要以工作面支架工作阻力的周期性變動(dòng)和工作面宏觀礦壓顯現(xiàn)作為判別的標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)計(jì)了工作面正常推進(jìn)(274.4～579.4 m)305.0 m過(guò)程中的支架工作阻力，分析和總結(jié)了13個(gè)監(jiān)測(cè)部位支架初撐力和循環(huán)末阻力變化特點(diǎn)：

1) 4個(gè)區(qū)域10個(gè)監(jiān)測(cè)部位頂板呈現(xiàn)出明顯的周期來(lái)壓現(xiàn)象。

2) 20#支架在274.4～507.9 m呈現(xiàn)出明顯的周期來(lái)壓現(xiàn)象，507.9 m之后無(wú)明顯來(lái)壓現(xiàn)象。

3) 161#、170#和180#等支架，即機(jī)尾約60 m范圍內(nèi)支架循環(huán)末阻力曲線幾乎為一條直線，表明頂板并無(wú)明顯來(lái)壓顯現(xiàn)。

5個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域各選取了一條監(jiān)測(cè)部位的支架工作阻力曲線，見(jiàn)圖1.

在工作面正常推進(jìn)305.0 m過(guò)程中，10個(gè)監(jiān)測(cè)部位處支架呈現(xiàn)明顯周期性礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，分析了其頂板周期性運(yùn)動(dòng)特征。

2.1 工作面頂板運(yùn)動(dòng)步距

頂板周期來(lái)壓步距、顯著運(yùn)動(dòng)步距和相對(duì)穩(wěn)定步距統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2.

由表2可知：

1) 頂板周期來(lái)壓步距平均值c=15.7～20.1 m/17.9 m，折合割煤刀數(shù)20～21刀。

2) 顯著運(yùn)動(dòng)步距(來(lái)壓持續(xù)步距)平均值a=4.1～6.0 m/4.8 m，a≈0.27c，約折合割煤刀數(shù)5～6刀；顯著運(yùn)動(dòng)步距從中部向機(jī)頭機(jī)尾逐步減小。

3) 相對(duì)穩(wěn)定步距平均值b=11.0～15.4 m/13.0 m，約折合割煤刀數(shù)15～16刀。

2.2 工作面支架工作阻力

支架工作阻力和動(dòng)載系數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3.

表3 工作面支架工作阻力和動(dòng)載系數(shù)表

由表3可知：

1) 工作面來(lái)壓時(shí)，支架均值工作阻力10 385～11 242/107 66 kN，占支架額定工作阻力的86.5%～93.7%/89.7%，支架利用率較高。

2) 工作面來(lái)壓前支架工作阻力7 672～8 122/7 927 kN，各部位支架受力相差不大。

3) 支架動(dòng)載系數(shù)均值1.33～1.40/1.36，均方差0.02，離散性。

3 房采區(qū)下綜采工作面礦壓規(guī)律對(duì)比研究

22202工作面自開(kāi)切眼至推進(jìn)150 m段上覆12煤未采，該實(shí)體煤段沒(méi)有進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)，引用22101工作面實(shí)體煤下礦壓參數(shù)，研究工作面在實(shí)體煤下和在采空區(qū)下礦壓規(guī)律的區(qū)別。

3.1 實(shí)體煤下與房采采空區(qū)下礦壓規(guī)律對(duì)比

3.1.1工作面開(kāi)采條件

2015年8月大柳塔礦22煤一盤(pán)區(qū)共計(jì)布置3個(gè)綜采工作面，其上部為12煤采空區(qū)，分別是大柳塔礦12107綜采面采空區(qū)、12203綜采面采空區(qū)，又有約0.5 km2的區(qū)域?yàn)殡p廟梁小窯采空區(qū)，并且這些采空區(qū)均已相互溝通。12煤、22煤層間距15.7～29.55 m，22煤埋深約60 m、厚度3.5 m. 22101綜采面采高3.3 m，支架基本型式為2柱掩護(hù)式2×6 000 kN，額定工作阻力為12 000 kN.

3.1.2壓測(cè)區(qū)布置和觀測(cè)

22101工作面是刀把型工作面，22101(1)面(窄面)寬度195.1 m，推進(jìn)長(zhǎng)度179.2 m；22101(2)面(寬面)寬度285.4 m，長(zhǎng)度295.6 m，上覆為12煤采空區(qū)。選取40#、59#和80#支架所在位置3條測(cè)線進(jìn)行系統(tǒng)礦壓觀測(cè)。22101工作面和礦壓測(cè)區(qū)布置見(jiàn)圖2.

圖2 已采22101工作面礦壓測(cè)區(qū)布置圖

3.1.3工作面頂板周期來(lái)壓步距對(duì)比

22101工作面實(shí)體煤下與房采采空區(qū)下周期來(lái)壓步距對(duì)比見(jiàn)表4.

由表4可知，22101(1)面周期來(lái)壓步距為11.8 m，比22101(2)周期來(lái)壓步距11.5 m大0.3 m(2.6%)，相差不大，所以頂板條件相同的條件下，上覆采空區(qū)對(duì)工作面頂板運(yùn)動(dòng)步距的大小影響較小。

3.1.4工作面支架工作阻力對(duì)比

22101工作面實(shí)體煤下與房采采空區(qū)下支架循環(huán)末阻力對(duì)比見(jiàn)表5.

表5 實(shí)體煤和采空區(qū)下支架循環(huán)末阻力對(duì)比表

由表5可知，22101(2)面支架循環(huán)末阻力為7 649 kN，比22101(1)面(6 905 kN) 大744 kN(10.8%)，所以工作面在采空區(qū)下頂板壓力要大于在實(shí)體煤下頂板壓力，平均大約10.8%.

3.1.5來(lái)壓時(shí)支架循環(huán)末阻力對(duì)比

22101工作面來(lái)壓時(shí)在實(shí)體煤下與房采采空區(qū)下支架循環(huán)末阻力對(duì)比見(jiàn)表6.

表6 來(lái)壓時(shí)在實(shí)體煤和采空區(qū)下支架循環(huán)末阻力對(duì)比表

由表6可知，22101(2)面來(lái)壓時(shí)支架循環(huán)末阻力(10 167 kN)比22101(1)面(9 280 kN)大887 kN(9.6%)，因此，工作面來(lái)壓時(shí)在采空區(qū)下頂板壓力要大于在實(shí)體煤下頂板壓力，平均大約9.6%.

3.1.6實(shí)體煤下與房采采空區(qū)下礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

對(duì)22101工作面實(shí)體煤下與房采采空區(qū)下礦壓規(guī)律的研究得出，房采采空區(qū)下頂板周期來(lái)壓步距與實(shí)體煤下無(wú)明顯差別；而所有循環(huán)的支架循環(huán)末阻力房采采空區(qū)下比實(shí)體煤下大10.8%，來(lái)壓時(shí)支架循環(huán)末阻力房采采空區(qū)下比實(shí)體煤下大9.6%.

總之，房采采空區(qū)對(duì)工作面頂板運(yùn)動(dòng)步距無(wú)影響，但對(duì)工作面頂板壓力影響較大，工作面采空區(qū)下頂板壓力大于在實(shí)體煤下的頂板壓力。

3.2 房采大、小煤柱尺寸段礦壓規(guī)律對(duì)比

22202工作面在推進(jìn)方向上的房采小煤柱區(qū)(2)和房采大煤柱區(qū)(4)，均有一段在大房采煤柱尺寸下。房采大煤柱尺寸段是指工作面在房采區(qū)下的一段開(kāi)采區(qū)域中，其上為單排或多排，長(zhǎng)寬尺寸為周邊常規(guī)房采煤柱長(zhǎng)寬尺寸2倍以上的大煤柱。分別對(duì)兩個(gè)區(qū)域各自在大房采煤柱尺寸下和小房采煤柱尺寸下礦壓規(guī)律進(jìn)行對(duì)比研究。

房采小煤柱區(qū)(2)60#和70#支架在推進(jìn)378.4～434.0 m為大房采煤柱尺寸段，273.4～378.4 m和434.0～579.4 m為小房采煤柱尺寸段；房采大煤柱區(qū)(4)的125#、129#和150#支架在396.2～483.1 m為大房采煤柱尺寸段，273.4～396.2 m和483.1～579.4 m為小房采煤柱尺寸段。

3.2.1頂板運(yùn)動(dòng)步距對(duì)比

工作面2個(gè)區(qū)域不同煤柱尺寸段頂板周期來(lái)壓步距和顯著運(yùn)動(dòng)步距對(duì)比見(jiàn)表7.

表7 不同煤柱頂板周期來(lái)壓步距及運(yùn)動(dòng)步距對(duì)比表

由表7可知，房采大煤柱段和小煤柱段頂板來(lái)周期來(lái)壓步距差異不大，頂板顯著運(yùn)動(dòng)步距相差不大。

3.2.2支架工作阻力對(duì)比

1) 支架循環(huán)末阻力。

工作面兩個(gè)區(qū)域不同煤柱尺寸段支架循環(huán)末阻力對(duì)比見(jiàn)表8.

由表8可知，工作面在大房采煤柱尺寸段支架循環(huán)末阻力與小房采煤柱尺寸段相差不大，平均小127 kN(1.5%).

表8 不同煤柱尺寸段支架循環(huán)末阻力對(duì)比表

2) 來(lái)壓時(shí)支架循環(huán)末阻力對(duì)比。

工作面來(lái)壓時(shí)兩個(gè)區(qū)域不同煤柱尺寸段支架循環(huán)末阻力對(duì)比見(jiàn)表9.

表9 不同煤柱段支架循環(huán)末阻力對(duì)比表

由表9可知，工作面來(lái)壓時(shí)，大房采煤柱尺寸段支架工作阻力與小房采煤柱尺寸段基本相等。

3.2.3礦壓顯現(xiàn)對(duì)比

大房采煤柱尺寸段與小房采煤柱尺寸段礦壓顯現(xiàn)對(duì)比見(jiàn)表10.

表10 房采大煤柱段與房采小煤柱段礦壓顯現(xiàn)對(duì)比表

由表10可知：

1) 工作面冒頂大房采煤柱尺寸段明顯比小房采煤柱尺寸段冒頂嚴(yán)重。大房采煤柱尺寸段平均冒寬為4 508 mm，比小房采煤柱尺寸段的2 946 mm大1 562 mm(53.0%)；大房采煤柱尺寸段平均冒高為173 mm，比小房采煤柱尺寸段的110 mm大63 mm(57.3%).

2) 工作面片幫大房采煤柱尺寸段工作面平均片幫深度為32 mm，比小房采煤柱尺寸段的20 mm大12 mm(60.0%).

3) 工作面上部采空區(qū)為小煤柱時(shí)，工作面來(lái)壓不強(qiáng)烈，來(lái)壓持續(xù)步距全程4.4～5.2 m，工作面頂板下沉量72～132/96 mm；大煤柱下時(shí)，來(lái)壓強(qiáng)烈，來(lái)壓持續(xù)步距全程3.8～14.8 m,工作面頂板下沉量為258～392/334 mm；兩種煤柱下工作面頂板下沉量相差238 mm(3.47倍)。

3.2.4不同尺寸段煤柱下工作面頂板壓力分析

工作面頂板壓力超過(guò)支架額定工作阻力時(shí)，支架安全閥開(kāi)啟，工作面頂板下沉讓壓。根據(jù)“支架-圍巖”關(guān)系，工作面大煤柱尺寸段與小煤柱尺寸段達(dá)到相同頂板控頂效果時(shí)(頂板下沉量為72～132/96 mm)，前者工作面頂板壓力較大。

4 結(jié) 論

本文主要對(duì)比研究了實(shí)體煤下與房采采空區(qū)下及不同尺寸段下工作面礦壓規(guī)律。

1) 根據(jù)22202工作面上覆采空區(qū)特點(diǎn)，將工作面劃分為5個(gè)開(kāi)采區(qū)域，即機(jī)頭房采巷道區(qū)、房采小煤柱區(qū)、房采中間隔離煤柱區(qū)、房采大煤柱區(qū)和機(jī)尾集中煤柱區(qū)。

2) 工作面周期來(lái)壓步距c=15.7～20.1 m/17.9 m，顯著運(yùn)動(dòng)步距a=4.1～6.0 m/4.8 m，相對(duì)穩(wěn)定步距b=11.0～15.4 m/13.0 m；來(lái)壓時(shí)支架均值阻力為10 385～11 242/10 766 kN，來(lái)壓前支架工作阻力為7 672～8 122/7 927 kN，動(dòng)載系數(shù)為1.33～1.40/1.36，工作面各支架處來(lái)壓比較均勻。

3) 房采采空區(qū)下頂板周期來(lái)壓步距與實(shí)體煤下無(wú)明顯差別；支架循環(huán)末阻力房采采空區(qū)下比實(shí)體煤下大10.8%，來(lái)壓時(shí)支架循環(huán)末阻力房采采空區(qū)下比實(shí)體煤下大9.6%.

4) 大小兩種煤柱尺寸段下工作面周期來(lái)壓步距、顯著運(yùn)動(dòng)步距、支架工作阻力和動(dòng)載系數(shù)均無(wú)明顯差異，但大煤柱段頂板下沉量為小煤柱段的3.47倍，達(dá)到相同頂板控頂效果(頂板下沉量)時(shí)，大煤柱下工作面礦壓顯現(xiàn)(支架工作阻力)會(huì)更強(qiáng)烈。