黃陵二號(hào)煤礦超長(zhǎng)工作面礦壓規(guī)律分析

張 昆

(陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

深部綜采采場(chǎng)開(kāi)采過(guò)程中，應(yīng)力的傳播規(guī)律與深、淺埋煤層不同，超長(zhǎng)的工作面更易導(dǎo)致深部采場(chǎng)周期來(lái)壓劇烈且來(lái)壓持續(xù)加長(zhǎng)。由于埋深大，采動(dòng)圍巖的儲(chǔ)能在時(shí)間-空間重疊變化下，不斷釋放與轉(zhuǎn)移、演化，導(dǎo)致擾動(dòng)應(yīng)力覆蓋范圍加大、圍巖變形更為復(fù)雜，嚴(yán)重制約工作面正常組織生產(chǎn)。近年來(lái)，開(kāi)采擾動(dòng)理論、應(yīng)力擾動(dòng)、頂板控制技術(shù)及實(shí)踐方面的相關(guān)研究都取得了豐碩的發(fā)展結(jié)果[1-3]；眾多專家學(xué)者針對(duì)深部采場(chǎng)的圍巖、采場(chǎng)、支架等通過(guò)不同手段開(kāi)展了深入研究并得出豐碩成果[4-7]。黃陵二號(hào)煤礦209工作面是典型的深部綜采工作面，開(kāi)采擾動(dòng)下的礦壓顯現(xiàn)明顯，亟需分析和研究二號(hào)煤礦深部采場(chǎng)的采動(dòng)壓力分布特征。

為此，以黃陵二號(hào)煤礦209工作面壓力防控為目標(biāo)，著手地質(zhì)調(diào)查情況，確定出頂板類型結(jié)構(gòu)；并結(jié)合力學(xué)模型特點(diǎn)，分析頂板破斷特性。進(jìn)而深入系統(tǒng)地研究二號(hào)煤礦209工作面圍巖結(jié)構(gòu)特性和開(kāi)采擾動(dòng)特點(diǎn)造成的礦壓規(guī)律，保障二號(hào)煤礦209綜采工作面的安全生產(chǎn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)來(lái)壓情況的預(yù)知預(yù)判具有現(xiàn)實(shí)必要性。

1 礦井概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造及圍巖特性

黃陵二號(hào)煤礦屬于黃陵縣雙龍鎮(zhèn)管轄，礦井井田位于黃陵礦區(qū)西北部，是黃陵礦業(yè)公司的主力生產(chǎn)礦井。整個(gè)礦井為傾向北西—北西西的單斜構(gòu)造，煤層傾角在1°～5°范圍內(nèi)。209工作面埋深在378～703 m，平均采高3.2 m，地表為山區(qū)溝壑。煤層上覆巖100 m范圍巖層內(nèi)依次為細(xì)砂巖、粉砂巖相互交替疊加。煤層為中侏羅統(tǒng)延安組，頂、底板均為不整合面。粉砂巖分選區(qū)性較好，屬半堅(jiān)硬類不易軟化巖石，其堅(jiān)硬程度f(wàn)為6～7，覆巖特征見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装逄匦訲able 1 Characteristics of roof and floor of coal seam

1.2 生產(chǎn)工藝

209工作面煤層均勻，工作面每刀循環(huán)進(jìn)度約900 mm。工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度約4 500 m，傾向長(zhǎng)度300 m。209綜采工作面采用單一走向長(zhǎng)壁后退式一次采全高采煤法，采空區(qū)頂板全部垮落法處理。工作面選用ZY10800/28/35D掩護(hù)型液壓支架。

2 頂板確定及來(lái)壓分析

深部超長(zhǎng)綜采工作面造成來(lái)壓的因素極其復(fù)雜。因此劃分頂板類型、確定關(guān)鍵層，分析工作面礦壓顯現(xiàn)情況及位置，確定影響工作面礦壓分布規(guī)律。

2.1 堅(jiān)硬頂板的確認(rèn)

關(guān)鍵層具有承載性，破斷后呈結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并在采空區(qū)發(fā)生運(yùn)動(dòng)[8-10]。209工作面據(jù)關(guān)鍵層理論整理得出堅(jiān)硬巖層判別公式，見(jiàn)式(1)

(1)

式中，γ為體積力；E為彈性模量，GPa;h為巖層厚度,m；i為巖層編號(hào)。

由式(1)可知，14.15 m粉砂巖、15.37 m細(xì)砂巖、183.37 m中砂巖為關(guān)鍵層。工作面上部粉砂巖存在的支承壓力結(jié)合細(xì)砂巖的支承壓力加劇細(xì)砂巖破碎。根據(jù)頂板類型可知，209工作面上部的細(xì)粒砂巖和粉砂巖組成復(fù)合頂板。埋深、工作面長(zhǎng)度、巖層的穩(wěn)定性共同影響下，加劇圍巖裂隙發(fā)育，更易造成煤壁片幫、周期來(lái)壓劇烈等礦壓顯現(xiàn)[11-14]。

2.2 工作面擾動(dòng)應(yīng)力分析

2.2.1 破斷距計(jì)算

通過(guò)上述分析可知，209綜采工作面來(lái)壓主要由煤層上部14.15 m的粉砂巖破斷提供。初次垮落后以“砌體梁”形式垮落形成周期來(lái)壓。根據(jù)式(2)計(jì)算14.15 m粉砂巖破斷距。

(2)

(3)

式中，hm為第m層堅(jiān)硬巖層厚度，m；σm為第m層巖層的抗拉強(qiáng)度，MPa；qi→m為第m層到第i層巖層的載荷。計(jì)算得，ljm=24.7 m。

3.由原來(lái)的被動(dòng)等待向主動(dòng)“找事”轉(zhuǎn)變。各級(jí)監(jiān)管部門既無(wú)精力也無(wú)意愿主動(dòng)去查找各種違法違規(guī)線索，基本上都是在辦公室坐等采購(gòu)人、代理機(jī)構(gòu)送來(lái)各種公告、文件、材料進(jìn)行審批，或是坐等處理供應(yīng)商投訴?，F(xiàn)在，各級(jí)監(jiān)管部門加強(qiáng)了事中控制和事后檢查處罰，正在建立政府采購(gòu)整個(gè)過(guò)程每個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)控機(jī)制，對(duì)于招標(biāo)代理機(jī)構(gòu)上年完成的政府采購(gòu)項(xiàng)目，也形成了完善的抽查和處罰制度。

2.2.2 頂板運(yùn)動(dòng)特征

209工作面頂板達(dá)到斷裂極限時(shí)，工作面頂板破斷距以ljm為破斷步距，沿工作面走向防線，重復(fù)出現(xiàn)如圖1所示的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。粉砂巖的關(guān)鍵層和直接頂屬性是導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)的重要因素。

圖1 工作面頂板運(yùn)動(dòng)特征Fig.1 Roof movement characteristics of working face

2.2.3 礦壓分布

209工作面一個(gè)月內(nèi)共計(jì)推進(jìn)約140 m，持續(xù)的推采過(guò)程的壓力分布，如圖2所示。整個(gè)工作面礦壓分布分為25#～55#、75#～100#、120#～160#這3部分；工作面整體壓力較大，中部來(lái)壓具有持續(xù)現(xiàn)象；3部分的壓力均在35 MPa之上，并具有持續(xù)性。115#～160#出現(xiàn)了周期性高壓力，工作面壓力分布總體來(lái)看：中部>機(jī)尾>機(jī)頭。209工作面頂板細(xì)砂巖直接垮落，其初撐力設(shè)計(jì)值能夠防止直接頂離層。非周期來(lái)壓期間，支架平均工作阻力為6 200 kN；周期來(lái)壓期間支架平均工作阻力為9 872 kN左右，占支架額定工作阻力的92%。由此表明，支架能滿足生產(chǎn)期間的頂板壓力需求。共計(jì)經(jīng)歷7次來(lái)壓，初次來(lái)壓步距為80 m，動(dòng)載系數(shù)為1.85。周期來(lái)壓步距最長(zhǎng)為45 m，最短為13.5 m，平均為22 m。工作面頂板在未采煤體內(nèi)部破斷，導(dǎo)致頂板各巖層內(nèi)部裂隙發(fā)育、破碎的加劇，進(jìn)而形成持續(xù)來(lái)壓現(xiàn)象。

圖2 30日連續(xù)監(jiān)測(cè)支架壓力分布情況Fig.2 Pressure distribution of supports monitored for 30 days

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

3.1 作業(yè)要求

工作面推采過(guò)程中，保證支架的初撐力在27.5 MPa以上，當(dāng)頂幫具有下沉趨勢(shì)時(shí)，適當(dāng)采用帶壓拉架，同時(shí)護(hù)幫板及時(shí)打出并緊貼煤壁。加快工作面推進(jìn)速度，避免受支承壓力的作用造成的損傷。停采檢修時(shí)必須保證支架處于高位狀態(tài)，一、二級(jí)護(hù)幫必須貼緊煤墻。生產(chǎn)過(guò)程中保證支架初撐力滿足27.5 MPa，實(shí)現(xiàn)對(duì)支架工況的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，全面觀測(cè)工作面礦壓分布情況。建立工作面礦壓顯現(xiàn)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)臺(tái)賬，在工作面來(lái)壓前期，采取防護(hù)措施，保障支架始終處于良好工況。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況

“支架—圍巖”的互作用是雙向作用的力學(xué)過(guò)程。支架工況能夠直接反映出支架與圍巖的關(guān)系。深部綜采工作面支架必須具備高初撐力，以控制頂板運(yùn)動(dòng)和煤壁剪切破壞；同時(shí)支架水平抗傾覆結(jié)構(gòu)和承載能力增強(qiáng)。二號(hào)井209工作面液壓支架采用SAC電液閥控制移動(dòng)方式與采煤機(jī)聯(lián)動(dòng)。截取某次支架電液控顯示圖，如圖3所示。由圖3知，煤機(jī)向工作面前部運(yùn)動(dòng)，支架初撐力達(dá)到27.5 MPa，滿足生產(chǎn)要求，同時(shí)支架工況良好。煤機(jī)現(xiàn)在處于105#位置，除煤機(jī)范圍內(nèi)的位置，支架護(hù)幫處于伸出狀態(tài)，符合生產(chǎn)要求；支架推溜基本呈直線狀態(tài)。由此可知，支架工況一直處于高位的良好狀態(tài)，整個(gè)工作面形成了“頂板-支架-底板”的良好結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)期間，工作面整體呈現(xiàn)“三平兩直”的良好狀態(tài)。

圖3 煤機(jī)動(dòng)態(tài)下支架工況Fig.3 Support working condition under dynamic condition of coal machine

3.2.2 支架壓力分析

提取一天的生產(chǎn)班組中各一組支架壓力，如圖4所示。0～8點(diǎn)班推采4.5 m，此時(shí)支架工作阻力最大為39.3 MPa、最小值為24.9 MPa，形成了“頂板-支架-底板”穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。16～24點(diǎn)班推采結(jié)束后，推進(jìn)9.0 m(10刀)，此期間的工作面支架工況良好。整個(gè)生產(chǎn)期間受擾動(dòng)圍巖影響，所有支架的初撐力全部達(dá)到27.5 MPa，工作面平均阻力為9 880 kN，其中105#～155#支架壓力大于40 MPa。

圖4 支架壓力Fig.4 Pressure of hydraulic support

4 結(jié)論

(1)209綜采工作面的直接頂為上覆細(xì)砂巖和粉砂巖組成的復(fù)合頂板，頂板的破斷距為24.7 m。

(2)初次來(lái)壓步距為80 m，周期來(lái)壓步距最長(zhǎng)為45 m，最短為13.5 m，平均為22 m，確定初撐力為27.5 MPa。

(3)工作面壓力總體分布是中部>機(jī)尾>機(jī)頭，此3部分的壓力均在35 MPa之上，并具有持續(xù)性，115#～160#出現(xiàn)了周期性高壓力。支架工況一直處于高位的良好狀態(tài)，整個(gè)工作面形成了“頂板-支架-底板”的良好結(jié)構(gòu)。