深部大采高工作面礦壓規(guī)律研究

劉建偉 李 磊

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西省延安市，727307)

深部大采高采場(chǎng)易導(dǎo)致周期來壓劇烈，且來壓持續(xù)較長(zhǎng)、煤壁大范圍片幫。深部大采高工作面開采過程中，擾動(dòng)應(yīng)力的傳播類型與淺埋薄煤層差異性較大。由于埋深較大，大采高開采動(dòng)態(tài)中煤巖應(yīng)力與儲(chǔ)能隨時(shí)間與開采位置變化不斷釋放與轉(zhuǎn)移，造成擾動(dòng)應(yīng)力覆蓋范圍廣、圍巖變形復(fù)雜，嚴(yán)重制約工作面安全生產(chǎn)。近年來，采場(chǎng)礦壓、頂板控制的實(shí)踐和理論研究都取得了很多重要的研究成果[1-3]；眾多專家學(xué)者通過模擬試驗(yàn)、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐等方法針對(duì)大采高工作面圍巖、采場(chǎng)、支架開展了豐富的研究[4-13]。但隨著煤層厚度、埋深不斷增加，黃陵二號(hào)煤礦418工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，亟需研究分析采動(dòng)壓力分布規(guī)律。因此，深入系統(tǒng)地研究二號(hào)煤礦大采高工作面圍巖結(jié)構(gòu)特性及其演化特征和開采擾動(dòng)特點(diǎn)造成的礦壓規(guī)律，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全開采、預(yù)知預(yù)判具有現(xiàn)實(shí)必要性。

以黃陵二號(hào)煤礦礦壓防控為目標(biāo)，基于開采條件調(diào)查，劃分了頂板類型結(jié)構(gòu)；通過力學(xué)模型建立，分析了頂板破斷特點(diǎn)。通過分析總結(jié)工作面礦壓規(guī)律，有針對(duì)性建立預(yù)知預(yù)判方法，以保障二號(hào)煤礦深部大采高綜采工作面的安全開采。

1 圍巖賦存特征

1.1 地質(zhì)構(gòu)造及圍巖特性

黃陵二號(hào)煤礦位于黃陵礦區(qū)西北部，為一傾向北西-北西西的單斜構(gòu)造，地層傾角一般為1°～5°。418工作面埋深在478～660 m之間，平均采高6.0 m，屬于深部大采高工作面，地表為山頂區(qū)域。煤層上覆頂板依次為細(xì)砂巖、粉砂巖相互交替疊加，煤層賦存特征如圖1所示。

圖1 煤層柱狀圖

延安組呈一傾向北西西的單斜構(gòu)造將整個(gè)井田一分為二，且中侏羅統(tǒng)延安組有4段組成，頂?shù)拙鶠椴徽厦?。粉砂巖分選區(qū)性較好，屬半堅(jiān)硬類不易軟化巖石，巖石普氏硬度f=6～7，覆巖特征如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特性

1.2 開采工藝

418工作面煤層厚度較均勻，工作面每刀進(jìn)尺約為900 mm，平均日推進(jìn)12刀。該工作面采用智能機(jī)械化走向長(zhǎng)壁后退式一次采全高采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)頂板，采用ZY12000/28/63D掩護(hù)型液壓支架。

2 大采高工作面來壓分析

造成深部大采高工作面周期來壓的因素十分復(fù)雜，主要影響因素為支承壓力、采高、埋深、圍巖特性。為此通過劃分頂板類型、確定關(guān)鍵層和工作面實(shí)際礦壓顯現(xiàn)情況，確定影響工作面礦壓分布規(guī)律。

2.1 關(guān)鍵層確定及頂板類型劃分

關(guān)鍵層的厚度及垮落方式直接影響工作面礦壓分布。其破斷后先后呈“懸臂梁”“砌體梁”結(jié)構(gòu)向采空區(qū)運(yùn)動(dòng)。關(guān)鍵層理論硬巖層判別公式如下：

(1)

式中：γ——體積力，kN/m3；

E——彈性模量，N/m2；

h——巖層厚度，m；

j——巖層編號(hào)。

通過分析圍巖覆巖賦存情況，根據(jù)式(1)得出，418工作面上部14.15 m處粉砂巖、15.37 m處細(xì)砂巖、183.37 m處中砂巖為關(guān)鍵層。

普遍來說，大采高工作面直接頂厚度一般為煤層厚度的2～4倍，因此418直接頂厚度為煤層上部的細(xì)粒砂巖和粉砂巖的總和，形成復(fù)合頂板；煤層上部粉砂巖不但是直接頂?shù)囊徊糠?，同時(shí)也為整個(gè)工作面提供力源。受埋深和巖層的穩(wěn)定性影響，開采過程中采動(dòng)煤巖應(yīng)力與儲(chǔ)能隨時(shí)間與開采位置變化不斷釋放與轉(zhuǎn)移，加劇圍巖裂隙發(fā)育，更易造成煤壁片幫、周期來壓劇烈等礦壓顯現(xiàn)。

2.2 工作面擾動(dòng)應(yīng)力分析

418工作面煤層上覆粉砂巖達(dá)到斷裂極限時(shí)，以破斷距l(xiāng)為步距，沿工作面推進(jìn)方向重復(fù)出現(xiàn)彎曲-起裂-破裂-垮落-平衡的動(dòng)態(tài)過程。由于粉砂巖屬于近距離關(guān)鍵層，也是直接頂，導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈。如：頂板切頂線位于煤壁上方，頂板離層范圍大，煤壁發(fā)生剪切破壞導(dǎo)致片幫等，如圖2所示。

圖2 工作面礦壓顯現(xiàn)概況

統(tǒng)計(jì)工作面1個(gè)月的支架工作阻力監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，418大采高工作面的頂板壓力情況如圖3所示。

圖3 418工作面11月支架壓力分布

2019年11月418工作面累計(jì)推進(jìn)約135 m，持續(xù)推采過程中，工作面達(dá)到充分采動(dòng)。由現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及圖3可知：工作面整體壓力較大，無明顯的周期來壓現(xiàn)象；整個(gè)工作面礦壓分布具有分區(qū)現(xiàn)象，分為3部分：25～55號(hào)支架、75～100號(hào)支架、120～160號(hào)支架；壓力均在35 MPa之上，且具有一定的持續(xù)性。隨著采動(dòng)影響的加劇，頂板壓力范圍增大。115～160號(hào)支架之間出現(xiàn)了周期性高壓力現(xiàn)象。由工作面壓力分布總體來看：機(jī)尾>中部>機(jī)頭。

非周期來壓期間，支架的平均工作阻力為6200 kN，是額定工作阻力的51.7%，支架具有一定的富余量；周期來壓期間支架加權(quán)平均工作阻力為10250 kN，是額定工作阻力的85.4%，最大平均工作阻力為11312.8 kN，為額定工作阻力的94.2%，表明支架能夠適應(yīng)周期來壓期間的頂板壓力。

工作面上部細(xì)砂巖直接垮落，支架平均工作阻力27 MPa，支架的額定初撐力29.2 MPa，說明初撐力設(shè)計(jì)值能夠防止直接頂離層。工作面基本頂初次來壓步距為80 m，動(dòng)載系數(shù)為1.95。11月工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)共計(jì)經(jīng)歷7次周期來壓。受采動(dòng)和頂板巖性的影響，粉砂巖在煤墻內(nèi)部切斷后，加劇細(xì)砂巖裂隙發(fā)育、破碎，形成來壓及來壓持續(xù)現(xiàn)象。來壓和持續(xù)步距共同形成工作面的周期來壓。當(dāng)來壓步距較長(zhǎng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的持續(xù)步距較小。周期來壓步距最長(zhǎng)為45 m，最短為13.5 m，平均為22 m。根據(jù)418工作面實(shí)際顯現(xiàn)情況，來壓步距大于32 m時(shí)，工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈。

2.3 巷道超前阻力分析

分別在進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷分別布置14、12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)采動(dòng)影響范圍。

2.3.1 進(jìn)風(fēng)巷

在進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)超前60 m范圍內(nèi)，布置14個(gè)阻力測(cè)點(diǎn)，經(jīng)分析整理繪制支護(hù)阻力與距工作面煤壁距離關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 超前支護(hù)阻力與距煤壁距離關(guān)系

觀測(cè)結(jié)果顯示：工作面來壓期間，超前支護(hù)阻力的特征特性曲線斜率比平時(shí)要大，也就是超前支護(hù)阻力比非周期來壓時(shí)阻力增長(zhǎng)快。支承壓力峰值在煤壁前方6～12 m，支承壓力影響范圍可達(dá)工作面前方30 m，表明深部大采高工作面具有較大的超前支承壓力和超前支承壓力影響范圍。這也是巷道錨索不易退的原因之一。

2.3.2 回風(fēng)巷

回風(fēng)巷超前50 m范圍內(nèi)共布置12測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)間距為4 m。

整理分析觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)支承壓力峰值一般會(huì)出現(xiàn)在煤壁前方10～15 m處，影響范圍最遠(yuǎn)可達(dá)工作面前方40 m。

3 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求

(1)工作面采用ZY12000/28/63D掩護(hù)型液壓支架，具有較大的額定工作阻力和初撐力。適當(dāng)采用帶壓移架工藝可大大改善煤壁和頂板的完整性。支架伸縮梁上的護(hù)幫板及時(shí)打出，緊貼煤壁，抑制煤壁發(fā)生垮落，從而可大大改善工作面圍巖的穩(wěn)定性。

(2)適當(dāng)加快工作面推進(jìn)速度，減少支承壓力的作用時(shí)間和煤壁的損傷程度。要盡量使工作面推進(jìn)速度保持穩(wěn)定。結(jié)合實(shí)際，保持工作面日推進(jìn)度9 m左右，停采檢修期間要保證支架處于高位狀態(tài)，護(hù)幫板貼緊煤墻，做好防范措施。

(3)采用支架工作阻力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀，系統(tǒng)全面實(shí)時(shí)地觀測(cè)工作面礦壓。對(duì)418工作面礦壓進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，結(jié)合理論計(jì)算，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)頂板來壓時(shí)間，并在工作面來壓期間，采取措施確保支架穩(wěn)定，使支架處于良好姿態(tài)、工作阻力處于高位狀態(tài)。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況

“支架-圍巖”相互作用是個(gè)雙饋動(dòng)力學(xué)過程。良好的支架工況側(cè)面反映出大采高支架必須具備高初撐力以控制頂板和煤壁雙重剪切破壞，加大支架水平抗傾覆結(jié)構(gòu)和承載能力，以適應(yīng)頂板回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)支架穩(wěn)定性影響。

黃陵二號(hào)煤礦418工作面應(yīng)用國產(chǎn)液壓支架，移架方式采用SAC電液閥控制，并與采煤機(jī)聯(lián)動(dòng)。在生產(chǎn)階段，支架運(yùn)動(dòng)、護(hù)幫板的精準(zhǔn)控制起到良好的作用；同時(shí)顯示支架工作狀態(tài)、故障情況。截取某次支架電液控顯示圖見圖5。

煤機(jī)向機(jī)頭運(yùn)動(dòng)，支架均滿足初撐力，支架支撐狀態(tài)良好；支架護(hù)幫均處于伸出狀態(tài)且貼緊煤壁；支架推溜基本上呈一條直線。由此表明：支架工況良好，形成了良好的“頂板-支架-底板”的工作面結(jié)構(gòu)；工作面整體呈“三平兩直”。

提取某日0點(diǎn)班、4點(diǎn)班各1組支架壓力數(shù)據(jù)，如圖6所示。0點(diǎn)班共推采4.5 m(5刀)，此時(shí)支架最大壓力為39.2 MPa、最小壓力為25 MPa，工作面形成“頂板-支架-底板”穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。4點(diǎn)班推采結(jié)束后，累計(jì)推采9.9 m(11刀)，工作面支架工況良好。受擾動(dòng)圍巖變化，支架均達(dá)到額定初撐力，工作面平均阻力為10125 kN，其中105～155號(hào)支架壓力大于40 MPa?！爸Ъ?圍巖”處于穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。

圖5 煤機(jī)動(dòng)態(tài)下支架工況

圖6 支架工作阻力變化特征

5 結(jié)論

(1)418工作面頂板由上覆細(xì)砂巖和粉砂巖組成。確定粉砂巖為關(guān)鍵層，其破斷為工作面周期來壓提供力源。

(2)周期來壓步距最長(zhǎng)為45 m，最短為13.5 m。支承壓力峰值在8～13 m，影響范圍約35 m。

(3)整個(gè)工作面礦壓均在35 MPa之上，工作面壓力分布具有分區(qū)現(xiàn)象(分為3部分)，機(jī)尾>中部>機(jī)頭，且具有一定的持續(xù)性。保證支架始終滿足初撐力，生產(chǎn)過程中采用帶壓拉架、加快推進(jìn)速度、護(hù)幫板貼緊煤墻等措施可改善圍巖穩(wěn)定性。