極近距離采空區(qū)下特厚煤層綜放工作面礦壓管理與研究

楊國(guó)樞

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

極近距離采空區(qū)下特厚煤層綜放工作面在開(kāi)采過(guò)程中，礦山壓力顯現(xiàn)明顯，初次來(lái)壓和周期來(lái)壓期間，工作面支架多次出現(xiàn)卸壓閥開(kāi)啟現(xiàn)象。同時(shí)，在順槽掘進(jìn)期間礦壓顯現(xiàn)劇烈，巷道變形大，為解決礦壓管理問(wèn)題，采取留設(shè)小煤柱、水力致裂釋放壓力、增大支架工作阻力、優(yōu)化超前支護(hù)設(shè)計(jì)等方法，經(jīng)礦壓觀測(cè)和微震監(jiān)測(cè)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了安全回采。

1 工程概況

中煤塔山煤礦位于山西省大同市南郊區(qū)，一對(duì)平硐單一水平開(kāi)拓全井田，2#煤層開(kāi)采完畢，現(xiàn)開(kāi)采3#～5#煤層，煤厚15.72～26.77 m，平均17.93 m，綜采放頂煤開(kāi)采方式?，F(xiàn)回采30515工作面，工作面概況見(jiàn)表1，煤及頂?shù)装鍘r石特性見(jiàn)表2。

2 支架優(yōu)化

2#煤層開(kāi)采后，形成一個(gè)類矩形低應(yīng)力空間。3#～5#煤層開(kāi)采后，3#～5#特厚煤層綜放工作面頂板具有正常的頂板結(jié)構(gòu)為“巖-矸”結(jié)構(gòu)、“巖-梁”結(jié)構(gòu)共存的特點(diǎn)。

在正常情況下，支架承擔(dān)全部厚度的頂煤作用力和部分直接頂“巖-矸”結(jié)構(gòu)的作用力。在來(lái)壓情況下，當(dāng)老頂巖層斷裂和回轉(zhuǎn)下沉?xí)r，“巖-矸”結(jié)構(gòu)破壞，老頂巖梁以動(dòng)壓的形式作用于直接頂并最終作用于支架上，形成較大動(dòng)壓。

2.1 巖重法計(jì)算

在采放高度M為17.93 m的條件下，所需要的支架的工作阻力見(jiàn)式(1)[1]。

表1 30515工作面概況表Table 1 The general situation of 30515 working face

表2 頂?shù)装鍘r性表Table 2 Lithology of the roof and floor

(1)

式中：P0為頂煤重量；P1為垮落帶巖層重量。

由此可知，在完全采空區(qū)條件下，現(xiàn)有工作阻力為15 000 kN的支架能夠滿足3#～5#煤層采厚17.93 m的頂板支護(hù)要求。

2.2 實(shí)測(cè)法計(jì)算頂板壓力

根據(jù)30501工作面頂板運(yùn)動(dòng)的微震監(jiān)測(cè)結(jié)果和支架阻力實(shí)測(cè)結(jié)果，基于理論研究結(jié)果，對(duì)30515工作面頂板壓力進(jìn)行了計(jì)算[2]。

30515工作面屬于上覆集中煤柱“內(nèi)錯(cuò)”布置條件下頂板作用力計(jì)算類型。

30515工作面開(kāi)采期間，膠帶巷一側(cè)上部為采空區(qū)，頂板壓力較??；回風(fēng)巷一側(cè)上部存在集中煤柱，頂板壓力大；回風(fēng)巷一側(cè)工作面頂板壓力P=14 482.67+Pc，當(dāng)?shù)臀焕享斁徛剞D(zhuǎn)下沉?xí)r，Pc=0；當(dāng)老頂滑落失穩(wěn)時(shí)，支架承受短時(shí)沖擊載荷，Pc>0。

2.3 工程類比分析

工程類比共分兩種情況，分別為同煤塔山礦8103工作面支架阻力研究成果和本礦30501工作面支架阻力實(shí)測(cè)成果。

1) 同煤塔山礦8103工作面支架阻力研究成果。該礦實(shí)際條件：臨近礦井，上部無(wú)采空區(qū)、煤柱，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果表明，支架安全閥開(kāi)啟較頻繁，局部壓架情況較多。正?；夭蓵r(shí)，9 000～12 000 kN/架；周期來(lái)壓時(shí)，13 000～17 500 kN/架，動(dòng)壓時(shí)將達(dá)到17 500～23 000kN/架[2]。

2) 本礦30501工作面支架阻力實(shí)測(cè)成果。本礦開(kāi)采的實(shí)際條件：本礦井上部為采空區(qū)，煤柱“外錯(cuò)”，初次來(lái)壓期間，支架平均工作阻力為28.8～31.9 MPa，為支架額定工作阻力的78.1%～86.5%；工作面支架工作阻力與額定工作阻力相比，富余較大，來(lái)壓情況正常；周期來(lái)壓期間，支架平均工作阻力為29.5～31.9 MPa，為支架額定工作阻力的80.0%～86.5%。總體來(lái)看，除局部區(qū)段支架有超額定工作阻力的現(xiàn)象之外，其余大部分支架在周期來(lái)壓期間基本保持了正常的工作狀態(tài)。

但受2#煤層重復(fù)采動(dòng)影響，工作面來(lái)壓步距離散性比較大，且工作面內(nèi)各支架來(lái)壓步距差別較大，并未呈現(xiàn)出較為規(guī)律的整體來(lái)壓步距。所以選定工作面支架阻力的動(dòng)載系數(shù)1.22。

2.4 支架優(yōu)化

經(jīng)上述研究分析可得：按30501工作面支架評(píng)價(jià)動(dòng)載系數(shù)1.22計(jì)算，上述動(dòng)壓區(qū)頂板作用力為14 486 kN/架×1.22=17 673 kN/架，則30515工作面現(xiàn)有15 000 kN支架不能滿足頂板控制的需要。

30515工作面頂板壓力分布情況如圖1所示。根據(jù)圖1所示的頂板壓力分布情況可知，當(dāng)采取增大支架額定工作阻力的措施時(shí)，即采用18 000 kN/架的液壓支架，3#～5#煤層的頂煤堆積范圍5.765 m，在實(shí)際生產(chǎn)中，支架支撐范圍包括煤柱影響區(qū)和破壞煤體堆積區(qū)，2#煤柱30 m+3#～5#煤層的頂煤堆積范圍(2×5.765 m=11.53 m)=41.53 m。支架中心距按1.75 m計(jì)算，41.53 m/1.75 m=23.73，則需要更換支架24架。

圖1 工作面頂板壓力分布圖Fig.1 The roof pressure distribution of working face

3 超前支護(hù)設(shè)計(jì)

由于30515工作面采用綜采放頂煤開(kāi)采，采放空間比較大，造成超前支撐壓力變大，且影響范圍大。為保證30515工作面回采安全，根據(jù)工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)計(jì)超前支護(hù)方案。

3.1 30515工作面兩順槽情況

1) 30515膠帶順槽。30515膠帶順槽上覆為2#煤層10215工作面采空區(qū)，所受應(yīng)力較小。所受應(yīng)力主要為30515工作面回采時(shí)對(duì)順槽超前支撐力的影響。與上一回采工作面30509膠帶順槽較為相似。

2) 30515回風(fēng)順槽。30515回風(fēng)順槽上覆為2#煤層10201工作面采空區(qū)，距30515回風(fēng)順槽水平距離28 m為10201工作面煤柱，煤柱寬度30 m，且30515回風(fēng)順槽初始110 m上覆為2#煤層實(shí)煤區(qū)，受上覆2#層煤柱和實(shí)煤集中應(yīng)力影響，30515回風(fēng)順槽壓力顯現(xiàn)明顯30515回風(fēng)順槽臨近30501采空區(qū)，凈煤柱10 m，受30501采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力較大。30515回風(fēng)順槽受工作面采動(dòng)影響，承受超前壓力。

3.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

1) 根據(jù)煤礦與煤科院科研項(xiàng)目研究結(jié)論，綜放工作面影響的超前范圍為115～130 m。

2) 根據(jù)礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析顯示，前一工作面30509綜放工作面影響超前范圍為140～160 m。

3) 臨礦同煤大塔山礦與該礦地質(zhì)類型及開(kāi)采方式較為相似，其以小煤柱開(kāi)采時(shí)，超前支護(hù)距離為200 m，但同煤大塔山礦未開(kāi)采上覆2#煤層，開(kāi)采3#～5#煤層時(shí)應(yīng)力較大；該礦相比于同煤大塔山礦，2#煤層已開(kāi)采完畢，部分壓力已經(jīng)釋放。

綜合以上原因，確定30515工作面膠帶順槽超前工作面煤壁50 m，回風(fēng)順槽超前工作面煤壁120 m。

膠帶順槽超前支護(hù)形式為ZTZ13000/28/40型前端頭支架配合液壓?jiǎn)误w支柱共同支護(hù)，超前液壓?jiǎn)误w支柱支護(hù)形式為“一梁三柱”。采煤側(cè)單體柱距回采煤幫300 mm，煤柱側(cè)單體柱距煤柱幫1 400 mm，中間排單體柱與煤柱側(cè)單體柱間距1 100 mm，采用DWX45-250/110型單體液壓支柱配4.5 mπ型鋼梁，梁與順槽垂直，柱距1 200 mm。在膠帶順槽轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)及轉(zhuǎn)載機(jī)自移裝置滑道處由于設(shè)備自身寬度較寬，所以在轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)及轉(zhuǎn)載機(jī)自移裝置滑道處改為“一梁兩柱”支護(hù)(即取消中間排單體柱)。

回風(fēng)順槽超前支護(hù)為“一梁六柱”，支柱采用6根DWX45-250/110型單體液壓支柱配4.5 mπ型鋼梁(花邊梁)，梁與巷幫垂直，柱距1 200 mm。具體支護(hù)方案見(jiàn)圖2。

圖2 回風(fēng)順槽支護(hù)布置圖Fig.2 The supporting layout of return air laneway

4 頂板致裂方案設(shè)計(jì)

30515工作面頂板致裂方案，以30515工作面支架安裝為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，分期進(jìn)行。

4.1 30515工作面支架安裝前致裂設(shè)計(jì)

30515工作面切眼支架在沒(méi)有安裝之前，預(yù)先向工作面回采方向施工致裂孔。共布置8組致裂孔，每組間距20 m，每組2個(gè)孔，孔深分別為21.36 m、25.61 m，向工作面前方20 m范圍致裂。開(kāi)孔位置距離底板1.8 m，致裂區(qū)域超前工作面20 m。

4.2 30515工作面支架安裝完成后致裂設(shè)計(jì)

30515工作面支架安裝完畢后，在30515工作面切眼兩幫肩窩處垂直頂板進(jìn)行致裂。距離煤柱側(cè)0.3 m布置8組，孔深14 m，每組間距20 m；距離回采側(cè)煤壁1 m布置16組，每組間距10 m，孔深14 m、9 m交錯(cuò)布置，并按照施工鉆孔期間煤層結(jié)構(gòu)調(diào)整，要求深孔進(jìn)入3#～5#煤層直接頂1 m。

4.3 30515工作面初采期間的致裂設(shè)計(jì)

30515工作面開(kāi)始回采時(shí)，每推進(jìn)5 m進(jìn)行一次致裂，鉆孔距離工作面煤壁1 m處垂直于頂板，共布置11組，每組1個(gè)孔，在工作面兩端頭每10 m布置1組致裂孔，共計(jì)4組；工作面中部每20 m布置1組致裂孔，共5組；孔深為9 m、12 m交錯(cuò)布置。

4.4 上覆2#煤層區(qū)段煤柱致裂設(shè)計(jì)

30515工作面上覆有2#煤層區(qū)段煤柱，30515回風(fēng)順槽距離上覆2#煤層區(qū)段煤柱水平距離28.35 m，煤柱寬度30 m，煤柱高度3.0 m。致裂2#煤層直接頂鉆孔為1組，致裂3#～5#煤層直接頂兩鉆孔為1組，兩組間隔布置，間距10 m，開(kāi)孔位置距離底板1.8 m。

5 小煤柱留設(shè)設(shè)計(jì)

針對(duì)塔山煤礦在掘進(jìn)及開(kāi)采過(guò)程中動(dòng)壓顯現(xiàn)頻發(fā)、動(dòng)壓危險(xiǎn)影響因素復(fù)雜，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法，系統(tǒng)分析了塔山煤礦工程地質(zhì)環(huán)境，初步分析了掘進(jìn)過(guò)程中礦壓異常顯現(xiàn)的原因，并結(jié)合掘進(jìn)過(guò)程中的礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用多種研究手段對(duì)3#～5#煤層開(kāi)采煤柱合理寬度進(jìn)行了研究，對(duì)煤柱留設(shè)進(jìn)行優(yōu)化。

1) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆屑量監(jiān)測(cè)結(jié)果，順槽掘進(jìn)過(guò)程中異常礦壓顯現(xiàn)與上覆遺留煤柱、堅(jiān)硬厚粉砂巖頂板及地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。

2) 根據(jù)采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果，距巷幫8 m處圍巖應(yīng)力增幅最大，約為9 MPa，說(shuō)明受上覆遺留煤柱影響，采動(dòng)應(yīng)力在距巷幫8 m左右處達(dá)到峰值；隨掘進(jìn)距離增大，巷幫應(yīng)力集中區(qū)由巷幫淺部圍巖逐漸轉(zhuǎn)移至深部圍巖；上覆采空區(qū)遺留煤柱對(duì)工作面順槽頂?shù)装宓挠绊懸笥趯?duì)兩幫的影響。

3) 由采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果，30501工作面回采過(guò)程中超前采動(dòng)應(yīng)力的影響范圍為工作面前方54～68 m，應(yīng)力峰值為6～8.2 MPa。

4) 綜合理論計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果，優(yōu)化塔山煤礦3#～5#特厚煤層綜放工作面區(qū)段小煤柱留設(shè)寬度由20 m減小為8～10 m，并采用沿空掘巷布置方式。

6 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

6.1 壓力觀測(cè)布置

膠帶順槽和回風(fēng)順槽從切眼開(kāi)始超前工作面400 m，每隔50 m布置一組微震采集器，共布置8組，隨工作面推采前延。膠帶順槽從切眼開(kāi)始每隔100 m布置一組機(jī)械和動(dòng)態(tài)頂板離層儀及錨桿錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，回風(fēng)順槽從切眼開(kāi)始每隔50 m布置一組機(jī)械和動(dòng)態(tài)頂板離層儀及錨桿錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)、錨桿十字測(cè)點(diǎn)，每隔20 m布置一組人工十字測(cè)點(diǎn)。

6.2 工作面壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

6.2.1 推進(jìn)58m實(shí)煤區(qū)段見(jiàn)方

7月21日，工作面推進(jìn)至58 m處(58 m實(shí)煤區(qū)段見(jiàn)方)。早班工作面礦壓集中在43#～49#支架，中班、夜班壓力集中20#～44#支架，工作面上部、中部、下部最大工作阻力分別是：38.5 MPa、44.9 MPa、40 MPa，實(shí)煤區(qū)膠帶側(cè)較采空區(qū)下壓力大，回風(fēng)超前架前方5 m處回采側(cè)局部片幫，回風(fēng)順槽超前段煤炮頻繁，但強(qiáng)度較小。

微震事件全工作面大量發(fā)生，且實(shí)煤區(qū)膠帶側(cè)煤壁區(qū)有大能量事件(深色圓球)發(fā)生，詳見(jiàn)圖3。推進(jìn)58 m實(shí)煤區(qū)段見(jiàn)方時(shí)，工作面壓力與微震事件發(fā)生位置一致，壓力顯現(xiàn)明顯。

6.2.2 推進(jìn)160 m處工作面見(jiàn)方

8月23日，工作面推進(jìn)至160 m處(二次見(jiàn)方)。根據(jù)工作面支架壓力云圖，8月22日工作面周期來(lái)壓，來(lái)壓范圍15#～77#支架。煤柱下集中在61#～77#支架壓力較大，最大工作阻力發(fā)生在65#支架，達(dá)到45.9MPa；采空區(qū)下集中在13#～47#支架，壓力值最大37.5 MPa，工作面來(lái)壓地段片幫嚴(yán)重。8月23日，兩端頭垮落緊跟，工作面持續(xù)來(lái)壓，根據(jù)工作面支架壓力云圖，來(lái)壓范圍15#～77#支架。煤柱下集中在61#～66#支架、71#～79#支架壓力較大，最大工作阻力41.9 MPa；采空區(qū)下集中在13#～57#支架，最大工作阻力達(dá)到44.6 MPa(圖4和圖5)。工作面頂板正常，來(lái)壓地段存在片幫現(xiàn)象。

圖3 推進(jìn)58 m處微震事件分布圖Fig.3 The distribution of micro-seism with 58 m face advance

圖4 8月22日工作面壓力曲線圖Fig.4 The working face pressure curves on August 22

圖5 8月23日工作面壓力曲線圖 Fig.5 TheworkingfacepressurecurvesonAugust23

6.3 順槽掘進(jìn)壓力監(jiān)測(cè)分析

30515按照設(shè)計(jì)8 m小煤柱留設(shè)順槽掘進(jìn)期間無(wú)明顯動(dòng)壓顯現(xiàn)，巷道變形不明顯，工作面回采期間順槽無(wú)明顯變形。

7 結(jié) 論

1) 區(qū)段煤柱由20 m減小到8 m，30515工作面多回收煤炭資源48.3萬(wàn)t。

2) 回風(fēng)順槽側(cè)掘進(jìn)和回采期間，受上覆2#煤柱集中壓力影響明顯弱化，無(wú)明顯動(dòng)壓顯現(xiàn)，巷道無(wú)明顯變形，提高了安全可靠性，并減少了以前巷道修復(fù)的人工投入。

3) 超前支護(hù)和工作面頂板支護(hù)安全性得以提高，支架未發(fā)生卸壓閥開(kāi)啟現(xiàn)象。