大面長(zhǎng)工作面初采期礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究
——以袁店一井煤礦為例

張 旭,陳登紅,魯?shù)屡?/p>

(1.淮北礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司安全監(jiān)察局, 安徽 淮北 235000;2.安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

1 引言

近年來(lái),隨著淺部煤炭資源的開(kāi)采日益減少,井工類采礦活動(dòng)逐步向著深部開(kāi)掘,為了減少遺留煤柱煤炭資源的損失,增加工作面開(kāi)采長(zhǎng)度不僅解決了遺留煤柱多,更減少了采煤作業(yè)工作面搬家倒面的次數(shù),因而提高了煤炭開(kāi)采率,減少了成本投入。工作面面長(zhǎng)的增加和智能化煤炭開(kāi)掘技術(shù)的選取是現(xiàn)代采礦中破解煤炭生產(chǎn)能力瓶頸的主要方法[1-3]。工作面面長(zhǎng)增加,礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和小面長(zhǎng)有較大差異,大面長(zhǎng)工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律是保證大面長(zhǎng)工作面安全作業(yè)的保障。宋選民等采用工業(yè)開(kāi)采試驗(yàn)與觀測(cè)研究,探求了工作面長(zhǎng)度的增加對(duì)礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度的影響規(guī)律[4]。王國(guó)法等采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論計(jì)算的方法,研究分析了深井厚煤層超長(zhǎng)工作面的支護(hù)應(yīng)力特性,得出工作面支護(hù)應(yīng)力出現(xiàn)“M”型三峰值可作為超長(zhǎng)工作面的判據(jù)[5]。王家臣等針對(duì)深井超長(zhǎng)工作面異常礦壓常發(fā)生、難預(yù)測(cè)的問(wèn)題,分析得出了工作面長(zhǎng)度增加導(dǎo)致基本頂中部存在裂隙的概率升高,增大了基本頂在工作面中部發(fā)生局部破斷的可能性[6-7]?？妳f(xié)興等采用模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方案,得出隨著超長(zhǎng)綜放工作面長(zhǎng)度的增加,采場(chǎng)覆巖關(guān)鍵層的破裂塊度將相應(yīng)減小,但主關(guān)鍵層會(huì)發(fā)生來(lái)壓現(xiàn)象[8]。以安徽省淮北市濉溪縣五溝鎮(zhèn)袁店一井煤礦為工程為例,運(yùn)用理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等方法,合理確定了袁店一井煤礦3221工作面初期礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的分析,為工程背景相似的礦井提供理論依據(jù)。

2 地質(zhì)概況

淮北礦業(yè)股份有限公司袁店一井煤礦位于安徽省淮北市濉溪縣五溝鎮(zhèn)。3221工作面地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜,煤層傾角在4～17°之間,平均傾角為9°,地面標(biāo)高+25.72～+28.21 m,埋深323.9～411.8 m。3221綜采工作面煤層較穩(wěn)定,煤層厚度1.19～3.52 m,平均2.59 m,屬中厚煤層,為綜合機(jī)械化開(kāi)采工藝。工作面位置及井上下關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 工作面位置及井上下關(guān)系

3 現(xiàn)場(chǎng)礦壓分析

初采期間工作面從距開(kāi)切眼開(kāi)始推至距開(kāi)切眼38.7 m,收集所得的210#支架的支架阻力,此次重點(diǎn)分析的支架為25#、50#、100#、125#、175#以及200#,共計(jì)6臺(tái)支架。通過(guò)surfer軟件繪制回采過(guò)程中支護(hù)阻力與回采距離三維可視圖,情況如圖1所示。從圖中可以看出上部支架25#～50#之間的支架支護(hù)阻力最為劇烈,平均煤層傾角為9°,造成這種來(lái)壓的原因是上部支架離機(jī)巷近,機(jī)巷較風(fēng)巷埋深大,巖層的自重應(yīng)力也就更大?；夭晒ぷ髅嫣幱趤?lái)壓及非來(lái)壓狀態(tài)時(shí),對(duì)支護(hù)載荷的影響明顯不同,因此支護(hù)阻力曲線的峰值一般為周期壓力的位置。各支架支撐的峰值阻力和距離不同,表明每次來(lái)壓的步距和強(qiáng)度不同。

圖1 基于surfer軟件的支護(hù)阻力與回采距離三維圖

袁店一井3221工作面采用的ZZ10000/21/45型液壓支架,根據(jù)圖2～4中各位置的多臺(tái)支護(hù)阻力曲線特性分析,隨著工作面的回采推進(jìn)距離自切眼到38.7 m時(shí),25號(hào)支護(hù)阻力在22.40～40.10 MPa之間,50號(hào)支護(hù)阻力在16.34～40.80 MPa之間,100號(hào)支護(hù)阻力在27.20～39.30 MPa之間,125號(hào)支架阻力在25.80～41.30 MPa之間,175號(hào)支護(hù)阻力在25.70～33.40 MPa之間,200號(hào)支護(hù)阻力在25.80～30.50 MPa之間,通過(guò)數(shù)據(jù)變化看出工作面后方頂板依次從上部、中部、下部的順序進(jìn)行垮落。自切眼回采至28.9 m左右時(shí)支護(hù)阻力上升變化較大,可以判定為基本頂?shù)某醮蝸?lái)壓,且初次來(lái)壓步距為28.9 m,來(lái)壓強(qiáng)度為40.8 MPa。基本頂?shù)膸r性特征、巖層厚度、基本頂上方覆巖的組成情況等因素決定于周期來(lái)壓步距的大小。初次來(lái)壓步距通常要比周期大,頂板周期來(lái)壓步距一般可由公式(1)計(jì)算。

圖2 3221工作面上部支護(hù)阻力折線圖

圖3 3221工作面中部支護(hù)阻力折線圖

L周=(1/2-1/4)L初

(1)

式中,L周為工作面頂板周期來(lái)壓步距;L初為工作面頂板初次來(lái)壓步距。通過(guò)公式(1)計(jì)算,再結(jié)合工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù),初步確定3221綜采工作面周期來(lái)壓步距在7.23～14.45 m之間。

對(duì)共計(jì)6臺(tái)工作支架進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間支架阻力監(jiān)測(cè),得出了工作面上部平均初次來(lái)壓步距為28.9 m,中部、下部初次未見(jiàn)明顯來(lái)壓,其不同部位的來(lái)壓步距不同,工作面后方采空區(qū)存在不同區(qū)域的滯后空間出現(xiàn)。從圖2～圖4得出,3221工作面上、中、下部支架支護(hù)阻力隨著回采前進(jìn)距離的增加逐次減小,工作面上部支護(hù)阻力變化水平大,強(qiáng)度高,而下部支護(hù)阻力變化水平小,強(qiáng)度低,中部支護(hù)阻力介于兩者之間。3221工作面初次來(lái)壓步距較小,頂板巖性力學(xué)參數(shù)較小,頂板屬于滯后垮落的特征。

圖4 3221工作面下部支護(hù)阻力折線圖

初采期間,工作面從距開(kāi)切眼開(kāi)始推至距開(kāi)切眼6.5 m范圍內(nèi)頂板始終未見(jiàn)垮落,推進(jìn)范圍在6.5～7.6 m內(nèi)20-43、120-167架尾梁掉落大塊矸石,推進(jìn)范圍在7.6～13 m內(nèi)19-200架尾梁掉落大塊矸石,推進(jìn)范圍在13～21.4 m內(nèi)2-208架尾梁垮落嚴(yán)實(shí)(見(jiàn)圖5a所示),推進(jìn)范圍在21.4～24.2 m內(nèi)第一架架后未落,其他架后都已垮落嚴(yán)實(shí),上隅角大頂已落,推進(jìn)范圍在24.2～27 m內(nèi)從下隅角往架后看,第一架架后已落,其他架后都已垮落嚴(yán)實(shí),上隅角大頂已落(見(jiàn)圖5b所示),推進(jìn)范圍在27～28.9 m內(nèi)下隅角掉點(diǎn)矸石,其他架后都已垮落嚴(yán)實(shí),推進(jìn)范圍在28.9～38.7 m內(nèi)架后已垮實(shí),如表1所示為3221工作面初采期礦壓分析表,從表中可以看出累計(jì)回采距離在28.9 m時(shí),為第一次最大工作阻力,達(dá)到了41.4 MPa,為峰值工作阻力,判斷為初次來(lái)壓。

圖5 3221工作面頂板壓力情況現(xiàn)場(chǎng)圖

4 結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到工作面自切眼回采至28.9 m左右時(shí)支護(hù)阻力上升變化較大,可以判定為基本頂?shù)某醮蝸?lái)壓,且初次來(lái)壓步距為28.9 m,來(lái)壓強(qiáng)度為40.8 MPa。初步判定基本頂?shù)膸r性特征、巖層厚度、基本頂上方覆巖的組成情況等因素決定于周期來(lái)壓步距的大小,結(jié)合3221工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù),通過(guò)理論計(jì)算確定3221綜采工作面周期來(lái)壓步距在7.23～14.45 m之間。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析得3221工作面上、中、下部支架支護(hù)阻力隨著回采前進(jìn)距離的增加逐次減小,工作面上部支護(hù)阻力變化水平大,強(qiáng)度高,而下部支護(hù)阻力變化水平小,強(qiáng)度低,中部支護(hù)阻力介于兩者之間。