龐龐塔礦9-700綜放工作面上覆巖層“三帶”發(fā)育情況探究

張 飛

（霍州煤電集團有限責任公司團柏煤礦 ，山西 霍州 031414）

1 工程概況

霍州煤電集團公司龐龐塔礦的9-700綜放工作面位于9#煤七采區(qū)南翼0#工作面，工作面走向長2394m，傾斜長232m，埋深約為370m，綜放工作面所采煤層厚度為9m～13.55m，平均11.8m，屬于特厚煤層。煤層傾角4°～24°，平均14°，綜合考慮高效、經(jīng)濟等多方面因素，采用單一走向長壁采煤法，工作面采煤高度為3.2m，放煤高度為8.6m，1：2.69的采放比，滾筒0.8m的截深，及時支護，單輪順序放煤。工作面沿底板推進，不留底煤，以9#煤層第二層夾矸為底頂板。頂?shù)装鍘r性、厚度等特性見表1。

9-700綜放工作面北邊為回風立井工業(yè)廣場保護煤柱和工業(yè)廣場，西邊是實體煤，東邊相鄰的是9-702綜放工作面的采空區(qū)，南部為村莊保安煤柱。9#與5#煤層層間距約為55m，9-700工作面上部為正在開采的5上-110工作面及5上-112工作面（開采年限1968年-2007年）以及一些原老礦采空區(qū)。由于層間距較近，屬于近距離煤層，9-700工作面的頂板不僅受到該工作面的采動影響，同時也經(jīng)受了5#煤層開采對底板的擾動，故在9-700工作面推進過程中，頂板來壓及液壓支架的荷載很可能出現(xiàn)較大異常，故現(xiàn)在緊密的監(jiān)測周期來壓的特性和液壓支架的工作情況，來保證開采活動的安全高效的進行。

表1 煤層頂?shù)装逄卣鞅?/p>

2 礦壓觀測分析

9-700工作面東側(cè)為9-702工作面的采空區(qū)時，工作面頂板存在有規(guī)律的大小周期來壓現(xiàn)象，但是當工作面推進至9-702工作面主輔回撤通道間煤柱時周期來壓步距出現(xiàn)異常，具體表現(xiàn)為大周期來壓步距大約為45m，小周期來壓步距大約為13m，大周期來壓導(dǎo)致40～120號液壓支架安全閥全部開啟，中部液壓支架的工作阻力最大可達11680kN，一些液壓支架的動載系數(shù)達到2.0。此外還有沒有規(guī)律性的小周期來壓，來壓區(qū)域分為工作面上部和下部，來壓時部分支架安全閥連續(xù)開啟。隨著工作面的推進至距主輔回撤通道煤柱200 m以內(nèi)時，大小周期來壓頻率均有一定程度上的增加，具體情況如圖1，圖中綠色代表大周期來壓，紅色表示小周期來壓。來壓期間頂板活動劇烈，液壓支架活柱下縮量達到650mm，支架安全閥的頻繁開啟，給工作面的頂板管理造成很大麻煩。

為了更好的控制9-700工作面的頂板，解決液壓支架安全閥頻繁開啟失效的問題，首先需要解決上覆巖層“三帶”高度的劃分問題，而且“三帶”高度的準確判定是“三下”安全采煤設(shè)計、上鄰近層瓦斯抽放技術(shù)以及覆巖離層充填技術(shù)實施和研究的基礎(chǔ)［1-2］。

圖1 頂板周期來壓示意圖

3 理論計算

目前普遍用于煤層上覆巖層“三帶”高度計算的是《“三下”采煤規(guī)程》的經(jīng)驗公式。但是頂板覆巖為中硬巖層并采用綜放開采時該公式就不適用。9#煤層的平均厚度為11.8m，屬于特厚煤層，并且由9#煤層的頂?shù)装鍘r性特征表可知煤層的直接頂和老頂分別為泥質(zhì)灰?guī)r和砂巖，為中硬巖層，故不能采用《“三下”采煤規(guī)程》的經(jīng)驗公式。厚煤層分層開采方法的經(jīng)驗公式具體計算如下[3]：

破碎冒落帶高度經(jīng)驗計算公式為：

式中：∑M為煤層總厚，m。

導(dǎo)水裂隙帶高度計算公式為：

將霍州煤電集團公司辛置煤礦范圍內(nèi)煤層數(shù)據(jù)分別帶入式（1）、（2）計算可以得知上覆巖層的破碎冒落帶的高度為：13.65～18.01m，裂隙帶的高度為：46.89～58.09m.

現(xiàn)在研究的9-700工作面，屬于特厚煤層綜放工作面，加上5#煤層采動的影響，“三帶”發(fā)育的程度明顯比普通分層要大，這時明顯就不能采用特厚煤層分層開采的計算公式，具體計算可以用以下經(jīng)驗公式來計算覆巖“三帶”的高度。

破碎冒落帶高度計算公式為：

導(dǎo)水裂隙帶高度計算公式為：

將9#煤層的數(shù)據(jù)帶入式（3）、（4）可以計算得到：9#煤層9-700工作面上覆巖層的冒落高度為42.68～52.10m，導(dǎo)水裂隙帶高度為 106.7～129.68 m。

開采范圍內(nèi)由裂隙帶頂端至地表所以巖層全部為彎曲下沉帶，彎曲下沉帶高度計算的經(jīng)驗公式如下：

式中：Hhc為彎曲下沉帶高度；H為工作面所在煤層的平均埋深；Hli為裂隙帶高度；Hm為破碎冒落帶高，單位均為m。

9#上部為5#煤層，層間距為55m左右，并且一些區(qū)域已經(jīng)開采完成，9-700綜放工作面上部為正在開采的5上-110工作面和5上-112工作面（開采年限1968年-2007年）以及一些原老礦采空區(qū)，工作面上覆巖層已經(jīng)不是原始的賦存狀態(tài)，因此在計算工作面上覆巖層的三帶高度時這些經(jīng)驗公式的精確性令人質(zhì)疑。

4 現(xiàn)場實測覆層裂隙

想要準確獲取9#煤層上覆巖層“三帶”的發(fā)育情況，最可靠的方式是采用觀測孔實地測量，現(xiàn)設(shè)計采用觀測孔進行測量，觀測孔的位置、長度、傾角等特征如圖2。觀測孔布置在9-700工作的運輸順槽，3個觀測孔傾角分別為40°、45°、50°，長度均為80m，終孔位置距離9#煤層頂板的垂直距離分別為51.42、56.57、61.28m。用CXK6礦用本安型鉆孔成像儀觀測在9-700綜放工作面開采前后巖層的裂隙發(fā)展狀況，觀測巖層異常變動的層位，由此得出霍州煤電集團公司辛置煤礦9-700綜放工作面上覆巖層“三帶”的具體發(fā)育情況[4]。

圖2 觀測孔布置示意

3個觀測孔超前工作面60m成孔，采前位置指的是當工作面距觀測孔20m以上時觀測裂隙密集區(qū)的位置，采后位置指的是工作面推進至距觀測孔距離不足8m時進行觀測。9-700綜放工作面開切眼后工作面每推進1.6m（兩刀）觀測一次數(shù)據(jù)，穩(wěn)定后沒10天或者15天測一次數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)詳細記錄在冊。觀測得到的各個觀測孔彩前、采后鉆孔內(nèi)裂隙密集區(qū)距離9#煤層頂板的垂直距離匯總詳情見表2。

表2 覆巖裂隙密集區(qū)統(tǒng)計情況

通過窺視儀的圖像得知不同鉆孔中裂隙、裂縫密集區(qū)位置，然后從橫向和縱向兩個方向來分析上覆巖層的演化規(guī)律，從3個窺視孔得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得知;工作面的開采不僅使裂隙的數(shù)量增多，也使裂隙帶的范圍在一定程度增大。

在開采前9#煤層上覆圍巖裂隙密集區(qū)大概在42m左右，工作面推進至鉆孔附近時，裂隙密集區(qū)發(fā)育至48.5m左右，裂隙密集區(qū)在各個方向上都形成了大量的裂隙和裂縫，具有完整的裂隙面，可以將其認定為冒落帶的邊界，故開采后冒落帶高度大約為48.5m，此時采用《“三下”采煤規(guī)程》中的公式計算出的結(jié)果（13.65～18.01m)明顯偏小，用經(jīng)驗公式計算的結(jié)果（42.68～52.10m）就與實際情況特別接近，證明該經(jīng)驗公式在估算特厚煤層綜放工作面采場“三帶”的發(fā)育高度時取得良好的效果。此外，由于9#與5#煤層間距為55m，屬于近距離煤層，冒落帶高度很接近層間巖層的厚度，因此當工作面推進至上部為老礦采空區(qū)時，必須密切的關(guān)注液壓支架的動向，或者采用安全系數(shù)更大的液壓支架，保證工作面的正常生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

1）通過現(xiàn)場頂板周期來壓狀況的觀測，掌握頂板周期來壓的規(guī)律，為開采工藝、設(shè)備的優(yōu)化提供參考依據(jù)。

2）理論計算了9-700綜放工作面上覆巖層“三帶”高度的發(fā)育情況，并應(yīng)用現(xiàn)場窺視實地測量了上覆巖層的冒落帶高度，驗證了經(jīng)驗公式的有效性。

3）9-700綜放工作面，由于上覆巖層的復(fù)雜特征，在推進過程中必須適當?shù)脑龃笠簤褐Ъ艿墓ぷ髯枇?，不能單純的考慮層間巖層的冒落，為進一步解決液壓支架失效的問題指明了方向。