神東礦區(qū)8 m 大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

陶志勇，李金剛

(神東煤炭集團(tuán)補(bǔ)連塔煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017209)

0 引言

我國(guó)煤炭在一次能源消費(fèi)中的比例高達(dá)55%以上［1］。厚煤層可采儲(chǔ)量約占全國(guó)煤炭總可采儲(chǔ)量的43%，厚煤層一次采全高綜采技術(shù)一直是世界煤炭生產(chǎn)技術(shù)主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域。近年來神東公司一直在努力追尋新技術(shù)發(fā)展的步伐，厚煤層大采高開采技術(shù)已經(jīng)在神東礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用和推廣［2-4］。大采高工作面來壓范圍廣、強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，現(xiàn)有支架工作阻力不能滿足要求，工作面片幫、漏矸頻發(fā)，沖擊載荷大，常出現(xiàn)漏矸冒頂事故，給工作面頂板安全管理帶來了很大挑戰(zhàn)［5-8］。從6．3 m大采高綜采配套設(shè)備的應(yīng)用，到8．0 m超大采高綜采設(shè)備的生產(chǎn)實(shí)踐，在生產(chǎn)技術(shù)裝備方面達(dá)到了新高度，這對(duì)我國(guó)煤炭工業(yè)的發(fā)展具有重要影響。

神東公司致力于推廣應(yīng)用厚煤層一次采全高綜采技術(shù)，配套設(shè)備也越來越向重型化、大功率方向發(fā)展。7．0 m重型成套綜采設(shè)備已經(jīng)很成熟，在多個(gè)礦井應(yīng)用并取得很好的經(jīng)濟(jì)效益和效果［9-11］。在此基礎(chǔ)上，8．0 m重型成套綜采設(shè)備在補(bǔ)連塔煤礦首次應(yīng)用，致力于高產(chǎn)高效，一次采全厚，提高單刀產(chǎn)量及回采率，創(chuàng)建年產(chǎn)1 500萬t以上的重型綜采工作面。

文中以補(bǔ)連塔煤礦12511綜采工作面為生產(chǎn)實(shí)踐背景，對(duì)8．0 m大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和支架適應(yīng)性進(jìn)行研究，為后續(xù)大采高工作面安全高效開采提供理論基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

1．1 工作面概況

補(bǔ)連塔煤礦12511綜采工作面開采煤層為1－2煤層，煤層厚度4．5～10 m，平均厚度7．44 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。工作面長(zhǎng)度319．1 m，推采長(zhǎng)度3 139．3 m，傾角1°～3°，煤層埋深233～301 m，采用傾斜長(zhǎng)壁后退式開采一次采全高全部垮落法處理采空區(qū)的綜合機(jī)械化采煤法進(jìn)行回采作業(yè)。煤層直接頂和基本頂以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，煤層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤層綜合柱狀圖

1．2 工作面主要設(shè)備概況

采煤機(jī):選用 JOY07LS08-762型采煤機(jī)，配備4．5 m超大滾筒，裝機(jī)總功率達(dá)到2 925 kW，生產(chǎn)能力6 000 t/h。

液壓支架:基本支架選用 ZY21000/36．5/80D型支架，共159架，支護(hù)強(qiáng)度大于1．67 MPa，支護(hù)高度3．65～8 m;過渡支架選用 ZYG21000/36．5/80DA、B型支架，共4架;端頭支架選用ZYT18000/28/55D型支架，共6架;液壓支架實(shí)現(xiàn)遙控器無線操作功能，工作阻力達(dá)到21 000 kN，配套長(zhǎng)短過渡支架實(shí)現(xiàn)兩級(jí)垂直過渡，利于頂板管理。

刮板輸送機(jī):選用SGZ1400/4800型刮板輸送機(jī)，總功率4 800 kW，運(yùn)輸能力7 000 t/h，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速拖動(dòng)。

帶式輸送機(jī):采用先進(jìn)的大功率變頻軟啟動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)張緊技術(shù)、高速耐磨托輥、快速自移機(jī)尾等先進(jìn)技術(shù)提高設(shè)備的開機(jī)率。

乳化液泵站:泵站組合采用8泵3箱式配置，總功率2 994 kW，采用超大流量、超高壓雙回路供液，實(shí)現(xiàn)壓力控制數(shù)字化調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程啟停、自動(dòng)注油等自動(dòng)化功能。

2 工作面礦壓規(guī)律分析

為避免12511工作面初采期間頂板大面積來壓，采用水力壓裂初次放頂技術(shù)對(duì)頂板進(jìn)行了弱化處理，削弱其強(qiáng)度和完整性，使采空區(qū)頂板能夠分層、分次垮落，縮短初次來壓和周期來壓步距。

2．1 工作面初次來壓

工作面推進(jìn)至16 m左右的位置時(shí)，直接頂基本全部垮落并填滿采空區(qū)。

工作面機(jī)頭推采至36 m，機(jī)尾推采至40．6 m處，支架壓力開始增大，且增幅較為明顯，部分區(qū)域開始發(fā)生煤壁片幫現(xiàn)象，但未發(fā)生支架安全閥開啟現(xiàn)象;隨著推采，工作面整體片幫嚴(yán)重，片幫深度最大為1．2 m，支架工作面阻力超過安全閥開啟值，可以判定為工作面基本頂初次來壓。來壓期間，工作面中部90#～130#支架率先來壓，之后40#～90#支架來壓，再后120#～140#支架來壓，來壓持續(xù)范圍4．0 m，推算出12511工作面初次來壓步距大約在40～44 m。

工作面初采期間的支架初次來壓特征見表1，初采期間工作面礦壓監(jiān)測(cè)曲面圖和支架阻力變化曲線如圖2、圖3所示。工作面40#～90#支架段來壓持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，來壓現(xiàn)象明顯，工作面60#～120#支架段動(dòng)載系數(shù)在1．43～1．53之間。

根據(jù)以上分析，工作面整體上表現(xiàn)出初次來壓不強(qiáng)烈，并未發(fā)生颶風(fēng)及耳鳴等頂板劇烈來壓現(xiàn)象。初期來壓期間支架立柱最大下沉量在100 mm左右。工作面推采50 m范圍內(nèi)，地表未發(fā)生裂隙和沉降現(xiàn)象，當(dāng)推采至125 m時(shí)在距切眼68 m處出現(xiàn)1～2 cm裂縫。

圖2 初采期間工作面礦壓監(jiān)測(cè)曲面圖

表1 工作面初次來壓支架來壓特征表

圖3 初采期間支架阻力變化曲線

2．2 工作面周期來壓

3月份周期來壓情況:工作面在3月1～30日監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，共發(fā)生大小周期來壓24次，月推進(jìn)314．2 m，平均周期來壓步距11．4 m，從整體上看工作面周期來壓大致呈現(xiàn)“大－?。蟆钡淖兓厔?shì)，但并不是嚴(yán)格按此規(guī)律變化，偶爾會(huì)出現(xiàn)“大－大”或“小－小”來壓情況。工作面壓力變化曲面圖如圖4所示。

3月份分析:工作面基本頂周期來壓步距最大為16．8 m，最小為 7．2 m，平均 10．77 m，正常回采期間平均一天來壓一次。動(dòng)載系數(shù)反映了基本頂來壓強(qiáng)度的大小，根據(jù)液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，工作面動(dòng)載系數(shù)為1．21～1．74，來壓強(qiáng)度較強(qiáng)。

6月份周期來壓情況:工作面在6月1～30日監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，共發(fā)生大小周期來壓24次，月推進(jìn)280 m，從整體上看工作面周期來壓大致呈現(xiàn)“小”的變化趨勢(shì)，但并不是嚴(yán)格按此規(guī)律變化，偶爾會(huì)出現(xiàn)“大”來壓情況，其中發(fā)生局部頂板漏冒情況，停產(chǎn)3天，工作面壓力變化曲面圖如圖5所示。

6月份分析:整體上，本月工作面基本頂周期來壓步距最大為12．8 m，最小為 7．2 m，平均 10．0 m，正常回采期間平均一天來壓一次，動(dòng)載系數(shù)為1．27～1．55，來壓強(qiáng)度較強(qiáng)。

8月份周期來壓情況:工作面在8月1～31日監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，共發(fā)生大小周期來壓30次，月推進(jìn)328 m，從整體上看工作面周期來壓大致呈現(xiàn)“小”的變化趨勢(shì)，但并不是嚴(yán)格按此規(guī)律變化，偶爾會(huì)出現(xiàn)“大”來壓情況。工作面壓力變化曲面圖如圖6所示。

8月份分析:整體上，本月工作面基本頂周期來壓步距最大為12．8 m，最小為6．4 m，平均9．6 m，正?；夭善陂g平均一天來壓一次。動(dòng)載系數(shù)反映了基本頂來壓強(qiáng)度的大小，根據(jù)液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，工作面動(dòng)載系數(shù)為1．24～1．59，來壓強(qiáng)度較強(qiáng)。

礦壓檢測(cè)小結(jié):從選取的3個(gè)月礦壓監(jiān)測(cè)情況來看，工作面礦壓具有一定的規(guī)律性。來壓步距6.4 ～16．8 m，平均約11．6 m，動(dòng)載系數(shù)約1．4，來壓較為明顯，基本上符合一天來壓一次的規(guī)律，偶爾會(huì)出現(xiàn)來壓持續(xù)較長(zhǎng)的現(xiàn)象，持續(xù)約8～10刀。

2．3 礦壓影響因素分析

關(guān)鍵層的影響:①12511工作面頂板存在兩層關(guān)鍵層，第一層載荷層約7．7 m，亞關(guān)鍵層約19．8 m，主關(guān)鍵層約35 m，均為砂質(zhì)泥巖，屬于典型的雙關(guān)鍵層頂板結(jié)構(gòu)。小周期來壓時(shí)單個(gè)關(guān)鍵層的破斷，而大周期來壓時(shí)則是兩個(gè)關(guān)鍵層的同時(shí)破斷［12］;②12511 工作面觀測(cè)周期來壓步距 7．2 ～16.8 m之間，時(shí)大時(shí)小，符合雙關(guān)鍵層來壓特點(diǎn)。亞關(guān)鍵層巖體斷裂形成小周期來壓，連續(xù)多次來壓后出現(xiàn)一次大周期來壓，來壓強(qiáng)度大，顯現(xiàn)明顯，可以推斷為主關(guān)鍵層斷裂引發(fā)工作面礦壓顯現(xiàn)明顯。從而也可以推斷出亞關(guān)鍵層斷裂步距與主關(guān)鍵層斷裂步距，如遇構(gòu)造或巖體內(nèi)部發(fā)生特殊位移情況，關(guān)鍵層破斷規(guī)律也發(fā)生變化。

圖4 3月份工作面礦壓監(jiān)測(cè)曲面圖

基巖、埋深影響:①根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可以初步計(jì)算得出，12511工作面頂板冒落帶高度約24 m(H1=3×M)，裂隙帶高度約192 m(H2=H1～M)，工作面上覆基巖220～273 m，呈現(xiàn)出回順薄、運(yùn)順厚、兩端薄、中間厚的特點(diǎn);②工作面切眼至300 m范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)工作面距切眼80～120 m范圍內(nèi)地表呈現(xiàn)溝壑，工作面礦壓顯現(xiàn)較為明顯，來壓強(qiáng)度較大，來壓比較集中，120～200 m范圍內(nèi)地表基本為平地，來壓呈現(xiàn)出分散性、不集中，且來壓強(qiáng)度弱;③工作面初采范圍內(nèi)工作面基巖變化不大，基巖厚度在259～273 m，工作面周期來壓步距約10 m，來壓強(qiáng)度先大后小，大小間隔出現(xiàn)，這與上覆巖層厚度變化關(guān)系不大。

圖5 6月份工作面礦壓監(jiān)測(cè)曲面圖

圖6 8月份工作面礦壓監(jiān)測(cè)曲面圖

巖層結(jié)構(gòu)及巖性影響:12511工作面煤巖互層結(jié)構(gòu)較為明顯，有兩層夾矸，尤其是煤壁中上部，片幫程度較為嚴(yán)重。頂板主要以砂質(zhì)泥巖為主，巖性變化不大，巖石力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較高，煤壁所受支承壓力較大。初采階段120 m范圍內(nèi)，下層夾矸厚度約0.6 ～1．2 m，工作面采高保持在 6．0 ～6．5 m 之間，周期來壓步距在10．4～15．2 m，來壓集中程度較高;推采至120～210 m之間，夾矸變薄，頂板結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，上層夾矸垮落，且來壓趨于不穩(wěn)定，呈現(xiàn)出散點(diǎn)狀。

3 工作面支架適應(yīng)性分析

選取了3個(gè)月的支架受載情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖7所示。

圖7 支架工作阻力分布柱狀圖

由圖7可知，①6月份工作面支架工作阻力主要集中在250 ～350 bar，占 59．72%，450 bar以上的占6．12%，低于250 bar的占15．04%，說明工作面初撐力管理情況較好，壓力主要集中在250～350 bar;②8月份工作面支架工作阻力主要集中在250～350 bar，占 65．42%，450 bar以上的占 6．1%，低于250 bar的占8．4%，說明工作面初撐力管理情況較好，壓力主要集中在250～350 bar;③9月份工作面支架工作阻力主要集中在250～350 bar，占65.98%，450 bar以上的占5．63%，低于 250 bar的占10．05%，說明工作面初撐力管理情況較好，壓力主要集中在250～350 bar，基本符合正態(tài)分布規(guī)律。

綜上所述，工作面支架受載情況良好，基本呈正態(tài)分布形態(tài)，壓力主要集中在250～350 bar(11 025～15 435 kN之間)，分別占支架工作阻力的52.5%、73．5%，低于250 bar基本占10%以下，綜合反映出工作面支架初撐力管理到位，支架還有一定富裕性，完全滿足工作面的需要。

4 結(jié)論

(1)采用水力壓裂初次放頂技術(shù)后，效果良好，直接頂初次垮落步距為16．8 m，基本頂初次來壓步距40～44 m，平均為42 m，動(dòng)載系數(shù)1．43～1．53之間，來壓強(qiáng)度較強(qiáng)。

(2)工作面周期來壓基本符合以下規(guī)律:來壓步距6．4 ～16．8 m，平均約11．6 m，動(dòng)載系數(shù)約為1.4，來壓較為明顯，基本上符合一天來壓一次的規(guī)律，偶爾會(huì)出現(xiàn)來壓持續(xù)較長(zhǎng)的現(xiàn)象。

(3)12511工作面頂板屬于典型的雙關(guān)鍵層頂板結(jié)構(gòu)，工作面周期來壓規(guī)律符合雙關(guān)鍵層的來壓特點(diǎn)。

(4)工作面支架受載情況良好，基本呈正態(tài)分布形態(tài)，壓力主要集中在250～350 bar(11 025～15 435 kN之間)，綜合反映出工作面支架初撐力管理到位，支架還有一定富裕性，完全滿足工作面的需要。