伊犁礦區(qū)淺埋深“三軟”厚煤層首采工作面礦壓規(guī)律研究

任艷芳

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

新疆伊犁礦區(qū)是我國重要的煤炭資源開發(fā)基地之一，具有煤層厚度大、儲(chǔ)量豐富、埋藏深度淺、成巖地質(zhì)年代晚等賦存特點(diǎn)[1，2]。以往研究成果表明，淺埋煤層覆巖破斷速度快，礦壓顯現(xiàn)特征較為特殊[4-8]。由于軟巖礦井開采條件的復(fù)雜性，為采場(chǎng)巖層控制帶來了新的挑戰(zhàn)[9-11]。因此，淺埋深“三軟”厚煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和支架適應(yīng)性的研究，能夠?yàn)楣ぷ髅姘踩咝Щ夭商峁┯幸娼梃b。

伊犁四礦位于新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州霍城縣東南部，行政區(qū)劃隸屬霍城縣惠遠(yuǎn)鎮(zhèn)及伊寧市英也爾鄉(xiāng)，是新疆伊寧礦區(qū)首個(gè)投產(chǎn)的高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力6.0Mt/a，為伊北20億Nm3煤制天然氣項(xiàng)目配套工程。伊犁四礦是首次在伊寧礦區(qū)淺埋深、薄基巖、“三軟”煤層及頂水條件下采用綜放開采的礦井，周邊沒有可供借鑒的實(shí)際開采經(jīng)驗(yàn)。因此，研究和掌握伊犁四礦首采工作面礦壓規(guī)律，一方面，對(duì)伊犁四礦后續(xù)實(shí)現(xiàn)安全高效穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義；另一方面，對(duì)掌握該條件下煤層開采覆巖破壞特征，研究適合的采煤方法及設(shè)備選型配套也有重要示范指導(dǎo)作用[12-17]。

1 工程概況

1.1 工作面地質(zhì)概況

根據(jù)礦井開拓方式及采區(qū)劃分，21103工作面是礦井21-1煤層首采11采區(qū)的試采工作面，工作面寬度120m，走向推進(jìn)長(zhǎng)度1600m。21103工作面作為礦井試采工作面，周邊無開采區(qū)，地表總體地勢(shì)南部高北部低，屬低山丘陵地貌，地面標(biāo)高為+853～+950m，煤層底板標(biāo)高為+686～+885m，煤層埋深63～167m，平均埋深約120m?；夭上锏啦捎秒p巷布置，沿煤層底板掘進(jìn)，工作面運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)，工作面回風(fēng)巷回風(fēng)。工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 21103工作面巷道布置圖

工作面煤層厚度4.2～8.5m，平均7.1m，從開切眼開始，自南向北煤層厚度逐漸加厚；煤層傾角4°～10°，平均6°；煤層單軸抗壓強(qiáng)度11.16～14.23MPa，煤層硬度偏軟。煤層頂板巖性主要為灰色中砂巖、細(xì)砂巖、泥巖與砂巖互層，單軸抗壓強(qiáng)度為12.2～16.3MPa，抗拉強(qiáng)度為0.87～1.25MPa，軟化系數(shù)一般0.02～0.25，屬軟質(zhì)巖類。底板巖性主要為炭質(zhì)泥巖、泥巖、細(xì)砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度為15.17～17.03MPa，抗拉強(qiáng)度為1.03～1.19MPa，軟化系數(shù)一般為0.02，屬軟質(zhì)巖類。煤層頂?shù)装鍘r層強(qiáng)度低，且遇水軟化、易風(fēng)化崩解，無厚而堅(jiān)硬的基本頂和基本底，屬于“三軟”煤層。位于工作面開切眼附近的ZK302鉆孔柱狀圖如圖2所示，工作面上方基巖厚度僅為17m左右，上方依次為13m厚的古近系松散層和26m厚的黃土層，屬典型的淺埋深薄基巖頂板，在基巖層發(fā)生破斷后，上覆松散層和黃土層發(fā)生同步下沉破斷。

圖2 ZK302鉆孔柱狀圖

1.2 開采技術(shù)條件

21103工作面設(shè)計(jì)采用綜采放頂煤工藝開采，設(shè)計(jì)割煤高度為3.5m，放煤高度平均為3.6m，采放比平均約為1∶1。考慮到試采工作面面臨的未知安全風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合煤層厚度賦存情況，制定了分段限厚開采方案，開采初期只采不放，采高為4.0m左右，采中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況逐步放大，分階段探索采后的覆巖破斷規(guī)律。

21103工作面中部采用59架ZFY13000/24/42型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架，兩側(cè)各采用1架ZFGY13000/24/42型兩柱掩護(hù)式中間過渡支架，過渡支架采用“頭3尾4”布置，過渡支架型號(hào)為ZFG15000/27/42型反四連桿四柱支撐掩護(hù)式支架。工作面礦壓監(jiān)測(cè)采用天地科技股份有限公司研發(fā)的KJ21礦山壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別在8、16、24、32、40、48、55、63號(hào)支架安裝監(jiān)測(cè)儀器，監(jiān)測(cè)立柱與平衡千斤頂受力。

2 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架適應(yīng)性分析

2.1 工作面頂板來壓規(guī)律

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，工作面推進(jìn)11m時(shí)，41～56號(hào)支架、12～37號(hào)支架直接頂開始垮落，工作面推進(jìn)11.8m時(shí)，41號(hào)支架至上端頭直接頂全部垮落，期間工作面無明顯的壓力現(xiàn)象。工作面推進(jìn)至21m左右，基本頂初次來壓，工作面支架壓力開始明顯升高。21103工作面支架循環(huán)末阻力曲線如圖3所示，通過分析各支架循環(huán)末阻力曲線，對(duì)工作面初次來壓步距和周期來壓步距進(jìn)行了分析，將支架的平均循環(huán)末阻力與其1倍均方差之和作為判斷頂板來壓的依據(jù)。

圖3 21103工作面支架循環(huán) 末阻力曲線及頂板來壓判別

21103工作面頂板來壓特征見表1。由表1可知，工作面初次來壓動(dòng)載系數(shù)平均為1.22，周期來壓動(dòng)載系數(shù)平均為1.25，工作面周期來壓步距平均為11.0m，來壓持續(xù)長(zhǎng)度一般為0.8～1.6m，平均1.1m。21103工作面頂板來壓具有動(dòng)載系數(shù)小、來壓步距短、來壓持續(xù)長(zhǎng)度短等特點(diǎn)。

表1 21103工作面頂板來壓特征

21103工作面支架工作阻力等值線云圖如圖4所示。由于工作面長(zhǎng)度較短，工作面全長(zhǎng)來壓同步性明顯；在經(jīng)過初采期間設(shè)備的磨合期后，工作面推進(jìn)速度加快，周期來壓間隔步距縮短，并且在工作面進(jìn)入充分采動(dòng)以后，工作面來壓頻繁且強(qiáng)度增大。但整體而言，工作面礦壓顯現(xiàn)并不強(qiáng)烈，支架安全閥循環(huán)開啟率平均在5%以下，且煤壁完整性較好，片幫程度較輕，片幫深度一般在0.5m以下。

圖4 21103工作面支架工作阻力等值線云圖

21103工作面在回采初期的埋藏深度在60～120m以內(nèi)，屬典型的淺埋深工作面，在開采期間伴隨地表臺(tái)階性下沉的現(xiàn)象，但地表下沉幅度小，一般在10cm以內(nèi)；21103工作面地表裂縫平面圖如圖5所示，根據(jù)地表裂縫觀測(cè)，地表裂縫位置與工作面煤壁位置基本相齊，說明工作面頂板破斷位置基本在煤壁附近，頂板斷裂及時(shí)，不易形成懸頂。

圖5 21103工作面地表裂縫平面素描圖

通過與我國鄂爾多斯地區(qū)神府—東勝礦區(qū)淺埋深薄基巖綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律對(duì)比可知，伊犁四礦21103工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律也表現(xiàn)出了周期來壓步距短、地表臺(tái)階狀下沉等淺埋深薄基巖綜采工作面礦壓顯現(xiàn)的共性特征，但21103工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度更弱、頂板來壓持續(xù)長(zhǎng)度更短，這與神東—東勝礦區(qū)淺埋深薄基巖綜采工作面礦壓顯現(xiàn)異常強(qiáng)烈、極易發(fā)生切頂壓架的強(qiáng)礦壓現(xiàn)象截然不同。例如，神東石圪臺(tái)煤礦31201工作面埋深平均120m左右，采高同樣為4.0m左右，工作面支護(hù)采用18000kN兩柱掩護(hù)式支架，但依然發(fā)生多次壓架事故，最嚴(yán)重時(shí)造成工作面112臺(tái)支架同時(shí)壓死，支架活柱下縮量達(dá)到1.5m。分析造成這一顯著差異的主要原因是伊犁礦區(qū)煤層頂板強(qiáng)度更低，沒有厚硬頂板存在，頂板能夠及時(shí)垮落，頂板斷裂時(shí)不易形成大的動(dòng)載沖擊，而神府—東勝礦區(qū)工作面砂巖頂板的強(qiáng)度普遍在30～60MPa，且頂板單層厚度往往在10m以上，甚至呈幾十米的巨厚層狀發(fā)育，頂板斷裂時(shí)的動(dòng)載沖擊更大。

但對(duì)于21103工作面這樣的淺埋深薄基巖“三軟”煤層工作面，頂板在煤壁附近斷裂，仍有發(fā)生頂板沿煤壁切落的可能性，且頂板強(qiáng)度低、易風(fēng)化、遇水軟化的性質(zhì)決定預(yù)防端面漏頂是工作面頂板管理的重點(diǎn)工作，因此需要采取提高支架初撐力加強(qiáng)主動(dòng)支護(hù)、及時(shí)移架減少端面距、加快工作面推進(jìn)速度減少頂板下沉?xí)r間等頂板管理措施。

2.2 支架適應(yīng)性分析

支架工作阻力頻率分布是分析支架的工作狀態(tài)及適應(yīng)性的重要指標(biāo)。統(tǒng)計(jì)了21103工作面自開采以來的支架工作阻力頻率分布特征，如圖6所示。

圖6 支架工作阻力頻率分布直方圖

分析圖6可知，支架工作阻力主要分布在6000～9000kN區(qū)間范圍內(nèi)，所占百分比達(dá)到67.6%，工作阻力頻率分布整體呈正態(tài)分布，頻率分布峰值位置位于7000～8000kN區(qū)間，支架工作阻力頻率分布合理，表明工作面采用現(xiàn)有工作阻力13000kN支架仍有一定富余量，支架選型合理，適應(yīng)性較好。

3 超前支承壓力分布規(guī)律

在21103工作面前方20～30m的回風(fēng)巷內(nèi)安裝了3組鉆孔應(yīng)力計(jì)，用于監(jiān)測(cè)基本頂初次來壓期間工作面超前支承壓力分布規(guī)律。1#—3#測(cè)點(diǎn)鉆孔應(yīng)力計(jì)測(cè)得的煤體應(yīng)力曲線如圖7所示，3個(gè)測(cè)點(diǎn)距切眼煤壁的距離分別為20m、25m、30m，安裝深度分別為3m、5m、7m。3個(gè)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，21103工作面超前支承壓力分布具有以下特點(diǎn)：①超前支承壓力整體緩和，應(yīng)力集中系數(shù)較低，應(yīng)力集中系數(shù)分布范圍為1.08～1.37，平均1.20；②超前支承壓力影響范圍小，影響范圍的分布區(qū)間為7～10m，平均8.3m，遠(yuǎn)低于一般工作面的30～100m；③應(yīng)力峰值靠近煤壁，峰值超前煤壁距離平均為1.0m，工作面前方煤體前方塑性區(qū)范圍?。虎苊罕诟浇鼰o明顯的應(yīng)力降低區(qū)，這與我國中東部礦區(qū)采場(chǎng)超前支承壓力“三區(qū)”分布的特征也有很大不同。

圖7 各測(cè)點(diǎn)煤體超前應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線

表2 鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

工作面超前支承壓力分布規(guī)律一般受到煤層埋藏深度、煤體強(qiáng)度和采出厚度等多種因素的影響，分析21103工作面超前支承壓力分布呈現(xiàn)以上特征的原因主要有以下幾點(diǎn)：

1)工作面埋藏深度淺。21103工作面初采期間平均埋藏深度僅為60m左右。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，超前支承壓力峰值距煤壁距離x與埋深H的關(guān)系滿足：x=0.015H=0.9m，這與實(shí)測(cè)結(jié)果基本相符。由于埋深淺，工作面采空區(qū)上覆巖層重量γH的絕對(duì)值較小，從而使得作用在工作面周圍煤體上的支承壓力也較小。

2)頂板強(qiáng)度低。支承壓力峰值超前煤壁距離一般與頂板強(qiáng)度成正比，與煤體強(qiáng)度成反比。根據(jù)煤巖物理力學(xué)測(cè)試結(jié)果，21103工作面頂板和煤層的天然單軸抗壓強(qiáng)度相差無幾，且直接頂在較長(zhǎng)時(shí)間暴露后風(fēng)化松散或遇水軟化，其強(qiáng)度反不如煤層強(qiáng)度。因此，當(dāng)頂板在采動(dòng)影響下發(fā)生離層、斷裂時(shí)，煤體往往還處于彈性狀態(tài)，變形量較小。

3)頂板斷裂靠近煤壁。由于煤層埋藏淺、基巖薄、頂板軟，開采引起的頂板運(yùn)動(dòng)涉及到整個(gè)上覆巖層，地表出現(xiàn)整體臺(tái)階下沉，老頂巖梁在工作面推進(jìn)方向上傳遞載荷的能力大為下降，覆巖運(yùn)動(dòng)形成的支承壓力小且不能深入煤體深部，對(duì)前方煤體的破壞作用較小。

由于煤壁未遭破壞，覆蓋巖層間保持了較高的接觸應(yīng)力，很難沿層面剪切滑移，這就決定了采場(chǎng)上覆各巖梁間的離層不可能深入到煤壁前方。因此，各巖梁的斷裂只能在煤壁處發(fā)生。根據(jù)工作面和巷道礦壓觀測(cè)結(jié)果，在開采過程中，工作面前方的巷道頂板始終沒有明顯離層或下沉，且工作面煤壁完整。

4 結(jié) 論

1)伊犁四礦21103工作面屬淺埋深薄基巖“三軟”厚煤層開采條件，工作面基本頂初次來壓步距約21m，周期來壓步距平均11m，動(dòng)載系數(shù)平均1.22～1.25，工作面礦壓總體顯現(xiàn)不強(qiáng)烈，具有來壓步距短、來壓強(qiáng)度小、來壓持續(xù)長(zhǎng)度短等特點(diǎn)；且根據(jù)工作面地表巖移觀測(cè)，工作面頂板斷裂位置在煤壁附近，地表呈現(xiàn)輕微的臺(tái)階狀下沉。

2)通過與我國神府—東勝礦區(qū)等其他礦區(qū)淺埋深薄基巖工作面的礦壓規(guī)律對(duì)比得出，21103工作面“三軟”煤層的性質(zhì)是造成工作面在淺埋深薄基巖條件下礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度偏弱的主要原因，針對(duì)該類型頂板條件，提出了提高支架初撐力、減少端面距、加快工作面推進(jìn)速度等頂板管理措施。

3)ZFY13000/24/42型兩柱掩護(hù)式液壓支架對(duì)21-1煤層開采適應(yīng)性較好，可以滿足開采要求。

4)21103工作面超前支承壓力分布具有應(yīng)力集中系數(shù)低、超前影響范圍小等特征，分析煤層埋藏深度淺、頂板強(qiáng)度低、頂板靠近煤壁斷裂等是造成該現(xiàn)象的主要原因。