辛置煤礦2-104綜放工作面頂煤運(yùn)移規(guī)律及礦壓特征研究

姚建偉

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

霍州煤電辛置煤礦2-104工作面，工作面走向長(zhǎng)度639m，傾斜長(zhǎng)度180m，主采2#煤層，煤層均厚5.2m，煤層平均傾角2°，含有0-2層夾矸，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚11.8m，基本頂為中粒砂巖，均厚9.5m，直接底為泥巖，均厚3.13m，老底為細(xì)粒砂巖，均厚為4.1m，具體煤層頂?shù)装鍘r層特征如表1所示。該工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采，采高為2.5m，放煤高度為2.7m，采放比 1：1.08，放煤步距 0.63m。

表1 煤層頂?shù)装逄卣鞅?/p>

2 頂煤運(yùn)移及破壞機(jī)理分析

2.1 影響頂煤運(yùn)移的因素

影響頂煤運(yùn)移、破壞的因素眾多，包括煤層埋深、煤體硬度、采動(dòng)應(yīng)力影響、放煤步距、支架作用等[1-2]，現(xiàn)主要分析支架作用及采動(dòng)影響下形成的超前支承壓力對(duì)頂煤運(yùn)移的影響。

2.1.1 支架初撐力作用

在綜放工作面進(jìn)行回采時(shí)，頂煤會(huì)受到支架的反復(fù)支承，會(huì)使得煤體內(nèi)的裂隙不斷發(fā)育、擴(kuò)展，進(jìn)而會(huì)使得頂煤充分破壞。通過(guò)確定合理的支架工作阻力及初撐力會(huì)利于頂煤的破碎。為現(xiàn)對(duì)2-104工作面在不同初撐力條件下工作面煤壁附近的冒頂情況進(jìn)行實(shí)測(cè)，依此確定合理的支架初撐力，實(shí)測(cè)結(jié)果如表2所示，不同支架初撐力下工作面的冒頂情況如圖1所示。

圖1 不同支架初撐力下工作面的冒頂高度

通過(guò)分析圖1及表2可知，對(duì)于2-104綜放工作面，支架的初撐力過(guò)大或者過(guò)小時(shí)均會(huì)使得頂板的冒落平均高度及次數(shù)不斷增加，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果知，支架的支護(hù)強(qiáng)度在6860～7500kN范圍內(nèi)時(shí)，工作面頂板的穩(wěn)定性會(huì)得到有效控制。

表2 不同支架初撐力下工作面冒頂情況實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

2.1.2 超前支承壓力

對(duì)于厚煤層綜放工作面，其回采過(guò)程直接頂破斷后會(huì)形成懸臂梁，從而使得頂煤受到的上覆巖層的壓力會(huì)增大，在圍巖壓力的作用下頂煤中的裂隙會(huì)擴(kuò)展、發(fā)育，隨后出現(xiàn)拉應(yīng)變[3-4]。

通過(guò)FLAC3D模擬軟件對(duì)2-104工作面煤巖的應(yīng)力分布進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，支承壓力梯度會(huì)隨著支承壓力峰值點(diǎn)距煤壁距離的縮短而逐漸增大（如圖2所示），隨著支承壓力的增大頂煤中的裂隙會(huì)不斷擴(kuò)展、位移也會(huì)不斷增大。另一方面，工作面放煤工作的進(jìn)行會(huì)進(jìn)一步加劇頂煤的破碎和位移。

圖2 2-104工作面超前支承壓力梯度變化圖

2.2 頂煤變形破壞過(guò)程分析

工作面回采過(guò)程中，頂煤主要會(huì)經(jīng)歷裂隙發(fā)育、擴(kuò)展到破壞，然后從支架放煤口放出的過(guò)程，具體過(guò)程如下：

1）塑性變形；回采動(dòng)壓影響下，頂煤中的水平裂隙會(huì)在壓力作用下出現(xiàn)閉合，致使頂煤在垂直方向上出現(xiàn)變形。

2）塑性變形進(jìn)一步發(fā)展，垂直方向上產(chǎn)生次生裂隙；隨著回采工作的持續(xù)進(jìn)行，超前支承壓力的影響范圍會(huì)逐漸增大，頂煤塑性變形進(jìn)一步擴(kuò)大，且在垂直方向上會(huì)產(chǎn)生次生裂隙。

3）劇烈破壞；在超前工作面煤壁4～20m范圍內(nèi)，由于為超前支承壓力的劇烈影響區(qū)，該段頂煤內(nèi)水平及垂直裂隙會(huì)以較快的速度發(fā)育、擴(kuò)展，水平位移會(huì)增大，進(jìn)而致使靠近頂板的頂煤最先出現(xiàn)破壞[5-6]。

3 工作面礦壓特征分析

為分析2-104綜放工作面回采過(guò)程中支架的工作狀況、回采對(duì)巷道變形的影響以及工作面超前支承壓力的分布規(guī)律，通過(guò)布置相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的方式對(duì)回采過(guò)程中的相應(yīng)的礦壓數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而分析其礦壓規(guī)律。

3.1 液壓支架支護(hù)阻力監(jiān)測(cè)

在2-104工作面回采過(guò)程中，通過(guò)對(duì)20#、56#支架及86#液壓支架進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)這三架液壓支架達(dá)到工作面上部、中部及下部的支架的受力狀況進(jìn)行分析的目的。

56#支架工作阻力曲線(xiàn)圖如圖3所示，通過(guò)分析圖3可知，2-104工作面平均周期來(lái)壓步距為22m，來(lái)壓的平均影響范圍約為8m，支架的時(shí)間平均動(dòng)載系數(shù)為1.2，在工作面來(lái)壓時(shí)，液壓支架的時(shí)間加權(quán)阻力平均值為7427.4kN，達(dá)到支架額定阻力的62%；另外根據(jù)支架監(jiān)測(cè)結(jié)果可知支架來(lái)壓過(guò)程中循環(huán)末平均阻力為9212kN，達(dá)到支架額定阻力的78%。

圖3 56#支架工作時(shí)間加權(quán)阻力曲線(xiàn)圖

根據(jù)工作面上部20#支架的監(jiān)測(cè)結(jié)果可知工作面上部平均周期來(lái)壓步距為16.9m，來(lái)壓的影響范圍約為5.5m，時(shí)間加權(quán)阻力平均動(dòng)載系數(shù)約為1.13，末阻力平均動(dòng)載系數(shù)為1.19。根據(jù)工作面下部86#支架的監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，工作面下部的平均周期來(lái)壓步距為16.4m，其影響范圍約為5.7m，循環(huán)末阻力的動(dòng)載系數(shù)為1.32，時(shí)間加權(quán)平均阻力為1.37。

綜合上述工作面上部、中部及下部液壓支架的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠得出，2-104工作面的平均周期來(lái)壓步距為18.4m，工作面的動(dòng)載系數(shù)呈現(xiàn)出兩頭大中間小的特點(diǎn)，但工作面各來(lái)壓部位的影響范圍大致相同。

3.2 回采巷道表面位移監(jiān)測(cè)

通過(guò)在2-104運(yùn)輸順槽距工作面120m的位置布置一個(gè)測(cè)站，對(duì)巷道頂?shù)装寮皟蓭拖鄬?duì)移近量進(jìn)行觀(guān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 2-104運(yùn)輸順槽測(cè)站巷道表面位移

由圖4可知，2-104工作面回采期間，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?60mm，兩幫最大移近量為464mm；另外結(jié)合液壓支架的監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，在工作面周期來(lái)壓期間巷道在超前工作面0～35m的范圍內(nèi)圍巖變形較為劇烈，回采工作面的超前影響范圍最大為90m，巷道變形最嚴(yán)重的區(qū)域，煤柱幫最大移近量為370mm，底板鼓起量最大為520mm。

3.3 工作面超前支承壓力監(jiān)測(cè)

在2-104工作面回采過(guò)程中，通過(guò)在2-104運(yùn)輸順槽超前工作面60m的位置布置一個(gè)測(cè)站，運(yùn)用單體液壓支柱壓力計(jì)對(duì)超前工作面60m范圍內(nèi)的支承壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。將觀(guān)測(cè)結(jié)果繪制成壓力值-測(cè)站距工作面煤壁的距離曲線(xiàn)圖，如圖5所示。

圖5 測(cè)站單體液壓支柱壓力值-距工作面煤壁距離曲線(xiàn)圖

分析圖5可知，單體支柱的受力狀態(tài)隨著距離工作面煤壁距離的減小而逐漸增大，其中在距工作面煤壁24～50m時(shí)，單體支柱的受力在緩慢增加；在距工作面煤壁13～24m時(shí)，單體支柱的受力在迅速增加，并且在距工作面約13m的位置處支柱所受壓力達(dá)到最大值16.5MPa，支承壓力集中系數(shù)為1.80～2.0；在距工作面0～10m范圍內(nèi)，支柱的受力會(huì)逐漸降低至小于原巖應(yīng)力，據(jù)此可推測(cè)出在煤壁至超前支承壓力峰值點(diǎn)范圍內(nèi)的煤體已經(jīng)處于塑性狀態(tài)，且該范圍內(nèi)隨著距離工作面煤壁距離的增大頂煤的支承應(yīng)力在不斷提升，離散程度在不斷降低。

4 結(jié)論

1）2-104綜放工作面頂煤的運(yùn)移與破壞規(guī)律受到液壓支架初撐力與支承壓力的影響較大，放頂煤支架初撐力的增大會(huì)增加工作面的冒頂次數(shù)，支架的合理支護(hù)強(qiáng)度在6860～7500kN范圍內(nèi)。

2）根據(jù)2-104工作面的礦壓觀(guān)測(cè)結(jié)果可知，工作面的平均來(lái)壓步距為18.4m，且工作面的動(dòng)載系數(shù)呈現(xiàn)出兩頭大中間小的特點(diǎn)；工作面回采期間頂?shù)装遄畲笠平繛?60mm，兩幫最大移近量為464mm；2-104運(yùn)輸順槽的工作面超前支承壓力的峰值為16.3MPa出現(xiàn)在煤壁前方13m。