桑樹坪二號井綜放工作面頂板來壓規(guī)律分析

薛 斌，蘇冠宇

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司桑樹坪二號井，陜西 韓城 715405)

0 引言

井工煤礦開采深度的日漸加深，在巷道和工作面周圍煤巖體支撐物上形成力的逐步增大，破壞原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)之后巖體應(yīng)力重新分布引起巖移運動，其對支架圍巖所產(chǎn)生的作用力稱為礦山壓力。在煤礦生產(chǎn)過程中，礦壓的實時監(jiān)測和預(yù)警對提升礦井技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和安全效益具有重大的現(xiàn)實意義。

現(xiàn)有研究中，國外學(xué)者普遍認(rèn)為如果在淺層煤炭的開采過程中出現(xiàn)了頂板破斷現(xiàn)象，會對地表產(chǎn)生一定的影響，同時造成頂板破斷角變大，地表下沉速度加快，來壓明顯且難以控制等現(xiàn)象[1-2]。國內(nèi)學(xué)者錢鳴高等[3]采用類比的方法給出了大采高支架的合理工作阻力；郝海金等[4]認(rèn)為，在計算工作面支架工作阻力時，應(yīng)將直接頂視為損傷體，由此得到了工作阻力的計算公式，得出了巖柱重量計算工作阻力的優(yōu)點；趙宏珠[5]針對我國大采高技術(shù)使用初期的支架使用情況進(jìn)行總結(jié)，初步給出了支架的阻力計算方法及支架選型。

采煤工作面無論是初次來壓還是周期來壓，它們均與基本頂巖性、厚度以及地質(zhì)構(gòu)造等因素有關(guān)，尤其綜采放頂煤工作面，頂板來壓顯現(xiàn)較劇烈[6-12]。為此，從韓城礦業(yè)公司桑樹坪二號井選取了兩個不同采區(qū)的典型工作面(1319綜放工作面及3307綜放工作面)進(jìn)行來壓步距分析及頂部巖性對來壓步距的影響，從而得出礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律并給予可行性建議，提出適應(yīng)工作面的頂板支護(hù)控制措施，最終優(yōu)化整合礦井結(jié)構(gòu)控制體系，保障安全回采。

1 礦壓觀測內(nèi)容及方法

1.1 觀測工具

工作面安裝有KJ216煤礦頂板動態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，所有分站數(shù)據(jù)通過本安分站、監(jiān)測主站傳輸?shù)降孛妫孛骐娔X可實現(xiàn)實時在線監(jiān)測，如圖1所示。

圖1 KJ216頂板在線監(jiān)測系統(tǒng)拓?fù)鋱D

1.2 測線布置及數(shù)據(jù)分析

工作面每8臺支架安設(shè)1臺壓力監(jiān)測分站，間隔12 m。連續(xù)收集工作面礦壓觀測數(shù)據(jù)，將分站數(shù)據(jù)平均值上升和下降作為判斷依據(jù)，結(jié)合工作面推進(jìn)度，找出出現(xiàn)數(shù)據(jù)峰值之間距離，依此來分析工作面來壓規(guī)律。

2 工程概況

2.1 二號井整體概況

桑樹坪二號井位于陜西省韓城市東北約37 km的黃河西岸，與山西省隔河相望，行政區(qū)劃隸屬于陜西省韓城市桑樹坪鎮(zhèn)管轄。井田南北長約6.0 km，東西寬約1.5 km，面積6.793 6 km2，地質(zhì)資源儲量為55 Mt，可采儲量31 Mt。井田東部煤層埋藏較淺，3號煤距地表僅200 m左右，向西方向逐漸變深，最深處400 m左右。井田內(nèi)3號煤層平均厚度為5.84 m，煤層傾角在7°以下，煤層傾角較小。礦井采用斜井單水平開拓方式，采用長壁式一次采全厚綜采放頂煤，全部垮落法管理頂板。

2.2 1319綜放工作面概況

1319綜放工作面長度為570 m(可采長度520 m)，切眼寬度175 m，煤層平均厚度6.05 m，煤層厚度穩(wěn)定。煤層偽頂為泥巖，質(zhì)軟、破碎，節(jié)理發(fā)育，易垮落，厚度在0.05～0.2 m；直接頂為細(xì)、粉砂巖，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，厚度在1.5～1.8 m，較致密堅硬。老頂為中、細(xì)粒砂巖，灰白色、深灰色，薄層狀，巖石成分以石英為主，長石次之，可見少量暗色礦物，鈣、泥質(zhì)膠結(jié)，中部夾有灰黑色粉砂巖薄層，較致密堅硬，厚度在3.0～8.0 m。

2.3 3307綜放工作面概況

3307綜放工作面長度為925 m(可采長度868 m)，切眼寬度175 m，煤層平均厚度6.1 m，煤層厚度穩(wěn)定。煤層偽頂為泥巖，質(zhì)軟、破碎，節(jié)理發(fā)育，易垮落，厚度在0.05～0.2 m；直接頂為細(xì)砂巖或砂質(zhì)泥巖，工作面中南部為細(xì)粒砂巖，深灰色，厚層狀，水平層理，巖石成分以石英為主，長石次之，可見少量暗色礦物，厚度在2.3～3.5 m；工作面北部為砂質(zhì)泥巖，灰黑色，泥質(zhì)為主，夾薄層細(xì)砂巖，厚度在2.6～3.0 m；老頂為細(xì)、粗砂巖，灰色或灰白色，以石英為主，可見少量暗色礦物、云母及炭屑，分選性差，垂直裂隙發(fā)育，厚度在11～18 m。

3 觀測成果及來壓規(guī)律分析

桑樹坪二號井綜放工作面初采初放期間，沿頂板進(jìn)行回采，初采初放工作結(jié)束后，進(jìn)行下扎至煤層底板，采用沿底回采放頂煤工藝。工作面一般要求采高為2.5～2.7 m，平均2.6 m，放煤厚度3.4～3.5 m，采放比為1∶1.3～1∶1.35，放煤步距0.6 m，即一采一放，放煤方式為單輪順序放煤。

3.1 初步來壓觀測

1319綜放工作面初步來壓觀測：1319綜放工作面2018年1月10日開始推采；1月17日初采初放工作結(jié)束。運順推采距離為18 m，回順推采距離為13 m，平均推采15.5 m。工作面老空基本全部垮落充分，兩端頭老空巷道出現(xiàn)頂板緩慢傾斜下壓，僅余靠煤柱三角區(qū)(高2.5 m、寬2 m)未充填。由此推斷，1319綜放工作面初次來壓步距為15.5 m。

3307綜放工作面初步來壓觀測：3307綜放工作面2018年12月27日開始推采；2019年1月11日推采20 m后，1～15#支架處頂板垮落厚度為1 m，老空未完全充填，形成大面積懸頂，其余地點全部垮落充分；1月12日～17日，進(jìn)行運順端頭強制放頂4次，效果不佳，其后采取了端頭老空加設(shè)木垛，進(jìn)行加強支護(hù)；1月21日，工作面推采57 m后，1～15#支架處老空頂板全部垮落，初采初放工作結(jié)束。由此推斷，3307綜放工作面初次來壓步距為57 m。

3.2 周期來壓規(guī)律分析

1319綜放工作面周期來壓分析：根據(jù)工作面前、中、后部均勻選取了3個分機(jī)作為觀測點，工作面連續(xù)推采的3個月礦壓在線監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)(2018年3月～2018年5月)，分別進(jìn)行周期來壓分析。①2018年3月份。3月份1319工作面共計推采79 m，推采過程中，經(jīng)頂板在線壓力數(shù)據(jù)分析(由于3月13日、14日頂板在線系統(tǒng)出現(xiàn)故障，無數(shù)據(jù))，工作面在當(dāng)月推采過程中出現(xiàn)周期來壓9次，具體見表1。根據(jù)觀測結(jié)果，1319綜放工作面2018年3月份周期來壓步距6～12 m，平均9 m；②2018年4月份。4月份1319工作面共計推采100 m，推采過程中，經(jīng)頂板在線壓力數(shù)據(jù)分析(由于4月6日～10日頂板在線系統(tǒng)出現(xiàn)故障，無數(shù)據(jù))，工作面在當(dāng)月推采過程中出現(xiàn)周期來壓6次，具體見表2。

表1 2018年3月份周期來壓觀測結(jié)果

根據(jù)觀測結(jié)果，1319綜放工作面2018年4月份周期來壓步距8.4～12 m，平均10 m；③2018年5月份。5月份1319工作面共計推采102 m，推采過程中，經(jīng)頂板在線壓力數(shù)據(jù)分析(由于5月1日～2日頂板在線系統(tǒng)出現(xiàn)故障，無數(shù)據(jù))，工作面在當(dāng)月推采過程中出現(xiàn)周期來壓9次，具體見表3。根據(jù)觀測結(jié)果，1319綜放工作面2018年5月份周期來壓步距6.8～14.6 m，平均10.7 m。

表2 2018年4月份周期來壓觀測結(jié)果

表3 2018年5月份周期來壓觀測結(jié)果

綜上所述，根據(jù)3個月的數(shù)據(jù)對比分析，1319綜放工作面周期來壓步距基本在10 m左右。

3307綜放工作面周期來壓分析：根據(jù)工作面前、中、后部均勻選取了3個分機(jī)作為觀測點，工作面連續(xù)推采的3個月礦壓在線監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)(2019年3月、5月、6月，由于4月系統(tǒng)出現(xiàn)故障時間較長，缺失數(shù)據(jù)較多)，分別進(jìn)行周期來壓分析。①2019年3月份。3月份3307工作面共計推采91.8 m，推采過程中，經(jīng)頂板在線壓力數(shù)據(jù)分析(由于3月16日～21日、25日、16日頂板在線系統(tǒng)出現(xiàn)故障，無數(shù)據(jù))，工作面在當(dāng)月推采過程中出現(xiàn)周期來壓4次，具體見表4。根據(jù)觀測結(jié)果，3307綜放工作面2019年3月份周期來壓步距9.6～18 m，平均13.8 m；②2019年5月份。5月份3307工作面共計推采149.1 m，推采過程中，經(jīng)頂板在線壓力數(shù)據(jù)分析(由于5月18日、22日、23日頂板在線系統(tǒng)出現(xiàn)故障，無數(shù)據(jù))，工作面在當(dāng)月推采過程中出現(xiàn)周期來壓9次，具體見表5。根據(jù)觀測結(jié)果，3307綜放工作面2019年5月份周期來壓步距11.1～21.6 m，平均16.4 m；③2019年6月份。6月份3307工作面共計推采113.4 m，推采過程中，經(jīng)頂板在線壓力數(shù)據(jù)分析(由于6月10日、17日、28日～30日頂板在線系統(tǒng)出現(xiàn)故障，無數(shù)據(jù))，工作面在當(dāng)月推采過程中出現(xiàn)周期來壓6次，具體見表6。根據(jù)觀測結(jié)果，3307綜放工作面2019年6月份周期來壓步距10.5～18 m，平均14.3 m。

表4 2019年3月份周期來壓觀測結(jié)果

表5 2019年5月份周期來壓觀測結(jié)果

表6 2019年6月份周期來壓觀測結(jié)果

綜上所述，根據(jù)3個月的數(shù)據(jù)對比分析，3307綜放工作面周期來壓步距基本在15 m左右。

3.3 來壓步距不同的原因分析

根據(jù)1319綜放工作面內(nèi)B12′-1地質(zhì)鉆孔和3307綜放工作面內(nèi)B20-2、B21-1地質(zhì)鉆孔資料，兩個工作面頂板巖性、厚度及來壓規(guī)律見表7。對比分析可知，兩個工作面切眼長度和回采工藝均相同，造成初次來壓及周期來壓來壓步距不同的原因，主要為上覆巖層頂板巖石厚度及巖性不同。

表7 1319及3307工作面情況對比

4 結(jié)語

由于礦井采用的沿頂掘進(jìn)、沿底回采、兩巷超前拉底架設(shè)木垛的工藝，造成綜放工作面回采來壓期間，壓力顯現(xiàn)較大，所以在初次來壓或周期來壓前，都必須根據(jù)頂板壓力情況采取加強支護(hù)的安全措施。具體如，所有支架、單體支護(hù)必須保證足夠的初撐力，并每班進(jìn)行不少于2次補液；兩端頭切頂線支護(hù)密柱、戧棚戧柱支設(shè)齊全有力，必要時設(shè)1～3組叢柱支護(hù)，如老空壓力過大，跟隨端頭切頂線打設(shè)木垛進(jìn)行加強支護(hù)；工作面控制采高，嚴(yán)禁超高作業(yè)，同時拉架后保持支架頂梁平整；工作面拉移架必須進(jìn)行跟機(jī)作業(yè)，并且?guī)翰另斠萍?，遵守“少降快拉”原則，及時伸出伸縮梁及護(hù)幫板，減少漏頂量。