摘要：本文對采場覆巖運動規(guī)律進行了理論分析和實測研究，提出了控制采場礦壓顯現(xiàn)的技術(shù)措施，取得了較好效果。

關(guān)鍵詞：綜放采場淺埋深覆巖運動頂板控制

1 概述

神通煤礦1505E綜放工作面所開采煤層為5#煤層。該煤層平均厚度為5.3m，傾角為6-80，煤層硬度系數(shù)f在2.5左右，埋深為190m左右，屬淺埋深煤層。工作面頂板為3.56m的灰黑色粉砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，中間夾有泥巖和煤線，其上部為中厚層狀的中細(xì)砂巖和砂巖互層，底板為深灰色粉砂巖。工作面采用綜采放頂煤一次采全高走向長壁采煤法，采高2.1m，放煤高度3.2m。

根據(jù)1505E綜放工作面覆巖運動規(guī)律，得到了合理的支架參數(shù)，提出了科學(xué)的頂板控制方案。

2 覆巖運動規(guī)律預(yù)測

2.1 頂煤初次垮落步距。采高2.1m，放高3.2m。其中，煤層容重1.4t/m3，平均抗拉強度0.964Mpa，則頂煤初次垮落步距為:C0=＝=20.9m。

2.2 直接頂厚度.按直接頂各巖層厚度小于其下部允許運動的自由空間高度的原理，由下而上逐層判斷，即：

MZ=Mi

其中：Mn≤h-Mi（KA-1），則巖層塌落。

Mn+1>h-Mi（KA-1），則巖層進入老頂范圍。

當(dāng)m1=3.56m，

m1=3.56m

當(dāng)m2=8.0m時，砂巖，分層判斷，分層厚度按1.0m計算。

第一分層：1.0m

第二分層：1.0m

以此類推，第八分層：

1.0m

當(dāng)m3=0.6m，煤層

0.6m

當(dāng)m4=12m，砂質(zhì)泥巖，

12m

1)=1.254=1.004

因此，該巖層不能全部冒落，考慮到該巖層較厚，且老頂有一定的沉降值，因此該巖層全部歸入老頂范圍。

因此，直接頂總厚度為：3.56+8+0.6=12.16m。

2.3 直接頂垮落步距。由于直接頂由3.56m厚的粉砂巖、8m厚的細(xì)砂巖和0.6m厚的薄煤層組成，因此將分別發(fā)生垮落，分別計算其垮落步距。

由地質(zhì)資料可知，本井田范圍內(nèi)粉砂巖的抗拉強度平均為2.45Mpa，砂巖的抗拉強度平均為3.92Mpa，薄煤層抗拉強度平均為0.986 Mpa，巖層平均容重2.5t/m3。因此，直接頂各巖層的垮落步距分別為：

第一層：粉砂巖，厚度3.56m，初次垮落步距為：

Cz01==26.41m

第二層：細(xì)砂巖，厚度8m，分層垮落，則初次垮落步距為： Cz02==17.7m

第三層：薄煤層，厚度0.6m，初次垮落步距為：

Cz03==9.2m

直接頂初次垮落步距平均值為：（26.41+17.7+9.2）/3=17.78m

2.4 老頂 厚度及運動參數(shù)。由柱狀圖可知，老頂?shù)谝粠r梁由砂質(zhì)泥巖m4及薄煤層m5組成。由于在大采高采場對工作面礦壓顯現(xiàn)有明顯影響的覆巖范圍主要是直接頂各巖層，因此，只需計算老頂?shù)谝粠r梁運動參數(shù)即可。由地質(zhì)資料可知砂質(zhì)泥巖抗拉強度平均為2.32 Mpa。

老頂?shù)谝粠r梁厚度為：ME=12+0.58=12.58m

老頂?shù)谝粠r梁初次來壓步距為：

C0===46.1m

式中:ms——支托層厚度，m。mc——隨動層厚度，m。?酌——巖梁平均容重，t/m3。?滓——支托層抗拉強度，t/m2。

老頂?shù)谝粠r梁周期來壓步距為：

C1=C0/3=46.1/3≈15.36m

3 支架參數(shù)預(yù)計

3.1 支架阻力。放頂煤開采，由于頂煤較軟，可放性較強，不會形成頂煤懸頂，故按給定載荷處理。綜放采場，老頂巖梁的運動往往滯后于工作面，對工作面礦壓顯現(xiàn)有明顯影響的覆巖范圍主要是冒落帶內(nèi)各巖層（直接頂）。建立采場控制設(shè)計模型如圖1所示。

圖1 采場控制設(shè)計模

頂煤厚度：3.2m；直接頂厚度：Mz=12.16m；支架控頂距：lk=5m；支架寬度：1.5m

控制準(zhǔn)則:支架阻力不小于頂煤和直接頂全部作用力及老頂?shù)谝粠r梁部分作用力之和力學(xué)保證條件：滿足老頂?shù)谝淮瘟褦鄷r刻控制要求支護強度PT

PT=A1×Pm

式中A1—為頂煤和直接頂?shù)淖饔昧?，Pm—動載系數(shù)，取1.5。

A1=hf×?酌f+Mz×?酌Z=3.2×1.4+12.16×2.5=34.88t/m2

將數(shù)據(jù)代入則：PT=34.88×1.5=52.32t/m2

因此支架工作阻力為：

RT=PT×ST=52.32×1.5×5=392.4t=3924kN

考慮支架工作阻力1.5倍的富裕系數(shù)，因此支架工作阻力不應(yīng)低于5886kN。

3.2 支架高度。建立頂板下沉量預(yù)測模型如圖2：

圖2 頂板下沉量預(yù)測模型

=

式中：lk—采場控頂距，取5m；h—采高與放高之和，m；Mz—直接頂厚度，m；K—矸石碎漲系數(shù)，取1.35；CE—老頂周期來壓步距，m。

h=5.3m，mz=12.16m，CE=15.36m

?駐h=×5=0.34m

由此可見，支架縮量應(yīng)不小于0.34m，對應(yīng)的支架高度為1.70m-2.3m，考慮富裕系數(shù)，應(yīng)選取ZF4000/15.5/25B型綜放支架。

4 覆巖運動規(guī)律實測

對1505E綜放工作面礦壓數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場實測，對工作面支架阻力進行監(jiān)測，將監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，如圖3所示。

4.1 工作面上覆巖層運動規(guī)律。根據(jù)現(xiàn)場觀測，工作面推進至17.6m時，繼3.56m的灰黑色粉砂巖垮落以后，砂巖又發(fā)生初次垮落，造成工作面直接頂初次來壓。直接頂垮落后，老頂開始斷裂，緩慢下沉，隨著工作面向前推進及頂煤和直接頂?shù)拿奥?，老頂懸跨度增加，?dāng)推進至47ｍ時，老頂加速下沉直至觸矸，造成老頂初次來壓。主要表現(xiàn)為采場中部機道頂煤破碎，不易維護，同時煤壁片幫，并且整個采場都出現(xiàn)片幫。初次來壓后，老頂進入周期來壓，根據(jù)現(xiàn)場實測，周期來壓步距在15.5m左右，來壓期間工作面礦壓顯現(xiàn)比較強烈，主要表現(xiàn)為支架阻力急劇上升，煤壁片幫。

4.2 工作面支架工作情況。支架載荷沿采場傾向分布方面具有以下特征：上下端頭處兩測區(qū)88.6%以上都處于初撐和一次增阻狀態(tài)，中下部測區(qū)處于初撐狀態(tài)的為62.3%。可見，兩端支架受頂板活動影響的范圍較小。與采場兩端相比，中部支架頂板活動影響較大，處于初撐狀態(tài)和一次增阻狀態(tài)的占69.6%，處于二次增阻狀態(tài)的占19.4%， 這主要是由于采場中部支撐壓力較大造成的。

通過對三次老頂來壓期間的支架安全閥進行統(tǒng)計觀測，其結(jié)果為：老頂初次來壓時的安全閥開啟率為27.2%；老頂?shù)谝淮沃芷趤韷簳r安全閥平均開啟率為16.9%，第二次來壓時安全閥平均開啟率為13.1%。以后又進行了幾次老頂來壓統(tǒng)計觀測，老頂周期來壓時安全閥開啟率都在12%左右。整個觀測過程支架只是個別連接件有損壞，未出現(xiàn)支架主要部件損壞的情況。

5 結(jié)語

5.1 5#煤層雖然埋深較淺，但1505E綜放工作面仍有一定來壓強度，并且存在明顯的初次來壓和周期來壓步距。直接頂厚度較大，初次來壓步距在17.5m左右，垮落時可造成強烈的礦壓顯現(xiàn)；當(dāng)厚度大的老頂斷裂，回轉(zhuǎn)時造成直接頂結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，采場礦壓顯現(xiàn)劇烈，出現(xiàn)機道頂煤破碎、煤壁偏幫等現(xiàn)象。

5.2 工作面支架阻力分布表現(xiàn)為中部大兩端小，表明頂板破斷為板式結(jié)構(gòu)并具有弧形破斷。

5.3 直接頂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及支架上方頂煤和直接頂?shù)膭偠认禂?shù)對采場礦壓顯現(xiàn)具有重要的影響。為實現(xiàn)對直接頂來壓，特別是老頂來壓時對直接頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的有效控制，必須保證支架有足夠的初撐力和工作阻力。

參考文獻：

[1]譚云亮，吳士良，尹增德.礦山壓力與巖層控制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.2.

[2]司榮軍，姜福興.煤層可放性分類研究[J].礦山壓力與頂板管理，2005(2).

[3]靳鐘銘，宋選民，康天合，等.頂煤冒放性影響因素及分類研究[C].綜合機械化放頂煤開采論文集，1996.

圖3 1505E綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律