近距離煤層采空區(qū)下工作面礦壓特征分析

郝永杰

(霍州煤電集團(tuán)公司 辛置煤礦，山西 霍州 031412)

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)辛置礦10409工作面位于東四采區(qū)，主采10號煤層，煤層均厚2.63 m，平均傾角為6°，工作面走向長度1 002 m，傾斜長度為180 m，煤層含夾矸，屬硬質(zhì)煤，偽頂較厚、破碎易冒落，難以控制，偽頂和夾矸硬度f=4，煤質(zhì)硬度f=2～3，直接頂為砂質(zhì)泥巖，基本頂為砂巖，底板為泥巖。10409工作面上方為9號煤層采空區(qū)，與9號煤層采空區(qū)的平均間距為6.6 m。為掌握近距離煤層采空區(qū)下工作面的礦壓特征，現(xiàn)采用物理相似模擬實(shí)驗(yàn)和礦壓實(shí)測分析的方法對礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行研究。

2 物理相似模擬

2.1 相似模型的建立

根據(jù)10409工作面和9號煤層地質(zhì)資料，采用物理相似模擬的相關(guān)公式計算得出煤層頂?shù)装鍘r層換算前后的各項參數(shù)，如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)計算出的模型力學(xué)參數(shù)，選用砂、石膏和石灰作為相似模擬的主要骨料，通過多次膠結(jié)材料和骨料的配比試驗(yàn)選定滿足試驗(yàn)要求的一種，并根據(jù)此配比鋪設(shè)物理相似模擬模型。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

在物理相似模擬過程中，依次進(jìn)行工作面的回采工作，先進(jìn)行9號煤層的回采，當(dāng)9號煤層回采完畢后再進(jìn)行10409工作面的回采，9號煤層對應(yīng)位置工作面推進(jìn)40 m時覆巖的運(yùn)動情況如圖1所示。

圖1 上分層工作面推進(jìn)40 m時工作面覆巖的運(yùn)動規(guī)律

由圖1可知，當(dāng)9號煤層對應(yīng)位置工作面回采推進(jìn)40 m時基本頂發(fā)生初次垮落，且頂板巖層出現(xiàn)離層的現(xiàn)象，據(jù)此能夠初步判斷出工作面基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄嗉s為40 m。該結(jié)果出現(xiàn)的主要原因?yàn)槊簩訉儆诒∶簩?，在工作面回采過程中對頂板巖層的擾動較小，故使得基本頂?shù)某醮慰迓洳骄嘞鄬^大；當(dāng)上工作面推進(jìn)至50 m后工作面的頂板離層現(xiàn)象進(jìn)一步增大，同時由于上層工作面的回采作業(yè)使得煤層底板的應(yīng)力進(jìn)行釋放進(jìn)而對下工作面基本頂?shù)目迓洳骄嘁伯a(chǎn)生影響。

當(dāng)9號煤層對應(yīng)工作面回采完畢后進(jìn)行10409工作面的回采作業(yè)，10409工作面推進(jìn)至23 m時頂板出現(xiàn)初次垮落，此時上覆巖層的離層位置已經(jīng)傳遞至頂板40 m的位置處，另外由于下工作面開采影響使得采空區(qū)左側(cè)巖層的垮落角為45°，右側(cè)垮落角為60°，根據(jù)模擬開挖過程得出下分層工作面的周期來壓步距為12 m；當(dāng)上下兩工作面均回采完畢后的頂板離層長度為50 m，離層高度達(dá)到55 m，兩工作面均回采完畢后覆巖的垮落情況如圖2所示。

圖2 兩工作面回采完畢后覆巖垮落情況

由圖2可知，下工作面的回采作業(yè)致使上工作面底板下沉，且下工作面采空區(qū)巖層垮落角小于上工作面巖層的垮落角，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因?yàn)樯瞎ぷ髅娴幕夭勺鳂I(yè)已經(jīng)對頂板的完整性產(chǎn)生了破壞。

3 礦壓實(shí)測研究

3.1 鉆孔窺視分析

為有效分析10409工作面開采作業(yè)時，兩煤層間巖層的破壞程度，在10409運(yùn)輸巷距離開切眼50 m、80 m的位置分別布置一個窺視孔，窺視鉆孔的直徑為38 mm，深度為15 m，先在下工作面回采前進(jìn)行一次窺視作業(yè)，當(dāng)工作面推進(jìn)30 m工作面初次來壓后再次對窺視孔的巖層裂隙的發(fā)育情況進(jìn)行分析。

根據(jù)窺視結(jié)果可知，在工作面回采前，鉆孔內(nèi)4 m的位置處頂板巖層的破壞情況較為嚴(yán)重，在9 m的位置處巖層節(jié)理裂隙較為發(fā)育，在孔深14 m的位置處，巖層的完整性較好。當(dāng)下工作面初次來壓后，在工作面前方40 m位置均處于超前支承壓力的影響范圍，此時鉆孔4 m的位置處破碎程度較嚴(yán)重，鉆孔內(nèi)9 m和14 m處與第一次窺視的結(jié)果基本相同。

3.2 液壓支架工作阻力監(jiān)測

10409工作面使用的為ZY4000/17/37液壓支架，支架的初撐力為3 090 kN，工作阻力為4 000 kN，底板比壓為1.15～1.24 MPa。為全面掌握下分層10409工作面回采期間頂板壓力的分布情況以及工作面的礦壓特征，在工作面回采期間，對液壓支架的工作阻力進(jìn)行監(jiān)測，共布置12個監(jiān)測站，其中1～20號支架為工作面下部，30號～60號支架為工作面中部，70號～86號支架為工作面上部，監(jiān)測站設(shè)置如圖3所示。回采期間每間隔10 min記錄一次支架的工作阻力。

現(xiàn)對85號支架、50號支架、10號支架的工作阻力分布情況進(jìn)行具體分析，其中85號支架代表工作面上部，50號支架代表工作面中部，10號支架代表工作面下部，支架具體工作阻力分布情況如圖4所示。

圖3 液壓支架礦壓監(jiān)測點(diǎn)布置位置示意

圖4 工作面液壓支架工作阻力曲線

通過分析圖4能夠得出，工作面回采期間液壓支架的工作阻力基本保持在20～40 MPa之間，即液壓支架的工作阻力值為1 600～3 200 kN，基于此可知工作面支架總體處于正常運(yùn)行的狀態(tài)；另外通過對比工作面上部、中部、下部支架工作阻力曲線可知，相對于工作面上部和下部支架，中部支架工作阻力的增長速度較慢，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是工作面中部為上工作面的采空區(qū)，上層工作面回采完畢后致使作用到下層工作面支架上的壓力值較小，而10409工作面兩端頭由于受到上下工作面開采煤層應(yīng)力集中的影響使得壓力值較大[1-2]。

通過對回采工作面進(jìn)行持續(xù)60 m的監(jiān)測得出10409工作面礦壓特征規(guī)律如表2所示。

表2 10409工作面來壓情況統(tǒng)計

由表2可知，10409工作面直接頂初次垮落步距的平均值為16.1 m，基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄嗟钠骄禐?1.4 m。在對工作面液壓支架的監(jiān)測期間共計監(jiān)測到5次周期來壓現(xiàn)象，其中工作面上部平均周期來壓步距為10.6，工作面中部平均周期來壓步距為10.8 m，下部的平均周期來壓步距為9.88 m，5次周期來壓步距平均值為10.4 m。

另外通過對液壓支架監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析得出，工作阻力在2 500～3 200 kN的支架所占比例最多，占到所有液壓支架工作阻力約65%，其次為液壓支架的工作阻力在1 600～2 500 kN的區(qū)域，該區(qū)域的比例占到30%，其余支架工作阻力處于3 500～4 000 kN的區(qū)域，該區(qū)域占到約5%，工作面在回采過程中支架的工作阻力并無超過4 000 kN的情況出現(xiàn)，據(jù)此可知工作面回采期間ZY4000/17/37液壓支架的適應(yīng)性良好。

4 結(jié) 語

通過對辛置礦近距離煤層采空區(qū)下10409工作面進(jìn)行相似模擬，得出工作面的初次來壓步距為23 m，周期來壓步距約為12 m，10409工作面回采完畢后的頂板離層長度為50 m，離層高度達(dá)到55 m；根據(jù)10409工作面回采過程中的實(shí)測分析，得出工作面初次來壓步距為21.4 m，周期來壓步距為10.4 m；相似模擬與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果基本一致，且回采期間液壓支架的適應(yīng)性良好，能夠滿足頂板管理的要求。