劉占春

(唐山開(kāi)灤趙各莊礦業(yè)公司，河北 唐山 063100)

0 引言

開(kāi)灤趙各莊礦井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤層賦存條件變化大，深部開(kāi)采給礦井瓦斯治理和巷道支護(hù)造成嚴(yán)重影響［1］。目前，趙各莊礦可采煤層為東翼7、9、12煤層和西翼9、12煤層。由于9煤層為煤與瓦斯突出煤層，需先開(kāi)采保護(hù)層(7、12煤層)，7煤層為上保護(hù)層，12煤層為下保護(hù)層。12煤層埋深大、傾角陡，屬傾斜煤層，厚度較大，采用綜采放頂煤沿走向推進(jìn)的開(kāi)采方法。我國(guó)綜放開(kāi)采技術(shù)經(jīng)過(guò)近20多年的試驗(yàn)、推廣，目前已成為我國(guó)厚及特厚煤層開(kāi)采的主要采煤方法［2］。本文針對(duì)12煤層深部大傾角綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和上覆圍巖運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 工作面概況

3237綜放工作面位于13水平西翼2石門12煤層，煤層傾角 26°～43°，煤層厚度 9.12 m～11.4 m。工作面呈一單斜構(gòu)造，賦存較穩(wěn)定，標(biāo)高－1002.1 m～－1055.9 m。受礦井西翼向斜影響，煤層走向變化較大。3237工作面走向長(zhǎng)307 m～326 m，傾向長(zhǎng)96 m，距上覆9煤層間距為30 m～43 m，上覆9煤層正在開(kāi)采。

3237綜放工作面老頂為深灰色粉砂巖，致密均一，厚度2.70 m～4.60 m，泥質(zhì)膠結(jié);直接頂為黑色腐泥質(zhì)粘土巖，厚度3.26 m～8.74 m;直接底為灰色粉砂巖，厚度0.49 m～2.67 m;老底為灰色細(xì)砂巖，厚度1.60 m～4.28 m，硅質(zhì)膠結(jié)，主要成份為石英，局部夾有粉砂巖，層面含有植物質(zhì)碎屑化石。

3237綜放工作面沿煤層走向，采用一進(jìn)一回方式布置巷道，切眼沿傾向布置(圖1)?；仫L(fēng)巷兼作輔助運(yùn)輸巷;運(yùn)輸巷為機(jī)軌合一布置。運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷及切眼均沿底板掘進(jìn)，后退式回采。運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷采用29U10.4 m2可縮性金屬拱型支架支護(hù)，棚距0.5 m。采煤方法為走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化放頂煤，工作面選用ZF4000－15.5/25型綜放支架作為基本支架，共安裝55組。采用全部跨落法管理頂板，生產(chǎn)方式為兩采一準(zhǔn)。

圖1 3237綜放工作面巷道布置示意圖

2 回采工作面礦壓顯現(xiàn)觀測(cè)與分析

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

主要觀測(cè)支架在回采過(guò)程中的工作阻力變化規(guī)律。采用山東尤洛卡生產(chǎn)的數(shù)字壓力計(jì)進(jìn)行支架阻力觀測(cè)。工作面共安設(shè)5個(gè)數(shù)字壓力計(jì)，分別安裝在第10組、20組、30組、40組、50組支架上(支架編號(hào)順序從上端頭至下端頭依次增大)，數(shù)字壓力計(jì)第一通道與支架前柱連接，第二通道與支架后柱連接。共計(jì)觀測(cè)75天，回采進(jìn)度約142m。

2.2 礦山壓力顯現(xiàn)特征

工作面各組支架日平均阻力觀測(cè)結(jié)果如表1所示。由表1可知，工作面支架日平均初阻力前柱最大為1111.32 kN，后柱最大為657.72 kN，遠(yuǎn)小于4000 kN的支架額定工作阻力值。

以工作面推進(jìn)距離開(kāi)切眼長(zhǎng)度為橫坐標(biāo)，以支架加權(quán)平均阻力Pt為縱坐標(biāo)，分別繪出不同觀測(cè)點(diǎn)支架阻力沿工作面推進(jìn)方向的分布曲線(圖2)。

表1 工作面各組支架日平均阻力觀測(cè)結(jié)果

圖2 工作面支架阻力曲線圖

支架載荷觀測(cè)數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，有:

式中，P'——可靠度為99%時(shí)的支架合理工作阻力，kN/架;

σp——均方差，kN/架

1)各組支架對(duì)應(yīng)頂板的初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距、初次來(lái)壓支架增載系數(shù)和周期來(lái)壓支架增載系數(shù)如表2所示。由表2可知，工作面上端頭頂板周期來(lái)壓強(qiáng)度略大于中部，中部略大于下部，來(lái)壓步距亦如此，這主要是由于頂板垮落后巖石沿采空區(qū)傾斜方向往下滾落，使下部充填密實(shí)，上部懸空造成的;而對(duì)于初次來(lái)壓，整個(gè)工作面沿傾斜方向來(lái)壓強(qiáng)度和步距相差不多，主要是頂板還未垮落，下部和上部均未被矸石充填［2］。

表2 工作面礦壓顯現(xiàn)參數(shù)

2)由圖2可知，前柱支架平均阻力約為612kN，后柱支架平均阻力約為295kN，前柱約為后柱的2倍，這主要是由于后柱頂煤破碎，形成小結(jié)構(gòu)，對(duì)上覆頂板壓力具有緩沖作用，而頂板將自身壓力前移，作用在前柱上造成的。

3 大傾角煤層綜放開(kāi)采上覆巖移規(guī)律的觀測(cè)與分析

3.1 測(cè)站布置

在3237綜放工作面回風(fēng)巷道距上山165 m和192 m處分別安設(shè)兩個(gè)深基孔觀測(cè)站，每個(gè)測(cè)站安設(shè)三組頂板離層儀，兩個(gè)測(cè)站的深基孔設(shè)計(jì)參數(shù)相同，深基孔參數(shù)包括孔口傾角、孔深和基點(diǎn)位置(表3)，每個(gè)測(cè)站布置三個(gè)深基點(diǎn)，分別用于記錄頂煤、直接頂和老頂?shù)倪\(yùn)移情況(圖3)。為了保證觀測(cè)效果，要求深基點(diǎn)深入工作面長(zhǎng)度大于10 m。

3.2 觀測(cè)結(jié)果

在完成深基點(diǎn)安裝后，立即進(jìn)行初次測(cè)量，記錄外露鋼絲的初始長(zhǎng)度。在隨后開(kāi)采過(guò)程中，每天進(jìn)行觀測(cè)，當(dāng)工作面推進(jìn)到煤壁附近時(shí)，共進(jìn)行21次觀測(cè)。其中，正值表示測(cè)點(diǎn)位于工作面煤壁前方，負(fù)值表示測(cè)點(diǎn)位于采空區(qū)方向，如圖4所示。

圖3 綜放面深基孔布置圖

表3 3237工作面深基點(diǎn)鉆孔幾何參數(shù)值

圖4 頂煤頂板位移曲線圖

3.3 上覆煤(巖)層移動(dòng)規(guī)律

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，可以得到以下規(guī)律:

1)在開(kāi)采底煤完畢放頂煤前，由于頂煤煤質(zhì)較軟，受采動(dòng)影響，上位頂煤松動(dòng)，產(chǎn)生裂隙，沿低位放煤口連續(xù)放出，直接頂隨頂煤放出而垮落，基本頂產(chǎn)生裂隙。隨著工作面向前推進(jìn)，裂隙不斷發(fā)育，基本頂將發(fā)生階段性破斷，與直接頂一起沿采空區(qū)向下移動(dòng)，采空區(qū)上部矸石亦隨頂煤放出而在上覆巖層的壓力作用下，向下部迅速移動(dòng)［3］。

2)頂煤、直接頂和老頂?shù)氖紕?dòng)點(diǎn)與煤壁的距離分別為16m、18m和23m，上覆頂煤與頂板始動(dòng)點(diǎn)超前于煤壁，這主要是因采空區(qū)空間增大，上覆頂板垮落，導(dǎo)致前方頂板有向采空區(qū)下滑的趨勢(shì)，使前方頂板出現(xiàn)水平位移，再加之來(lái)壓影響，使前方頂板出現(xiàn)一定量的垂直位移量［4］。上位頂煤層位越高移動(dòng)越早，且上部位移大于下部位移。放頂煤過(guò)程中，頂煤位移以水平位移為主。在距離煤壁6m處時(shí)，頂煤位移量開(kāi)始增加，隨著頂煤向煤壁靠近，頂煤位移速度逐漸加快，當(dāng)工作面推進(jìn)到基點(diǎn)正下方時(shí)，頂煤位移量超過(guò)100 mm，表明頂煤已完全破碎。

3)頂煤裂隙在頂煤移動(dòng)開(kāi)始時(shí)，上下并未貫通，但隨工作面推進(jìn)以及頂煤放出，裂隙不斷發(fā)育，最終在頂煤移動(dòng)到放出口附近時(shí)，頂煤裂隙上下貫通。造成頂煤的垮落角大于90°(實(shí)測(cè)為110°左右);

4)隨工作面推進(jìn)，垮落的直接頂和基本頂沿采空區(qū)向下部不斷運(yùn)動(dòng)。在基本頂垮落端，向下形成一定的撓度，采空區(qū)上部矸石亦因上覆巖層壓力作用而向下移動(dòng)，頂板整個(gè)垮落部分形成漏斗狀形態(tài)［5］。

5)沿工作面傾斜方向壓力呈現(xiàn)分布不均勻特點(diǎn)，這是由于大傾角工作面采空區(qū)矸石在自重作用下向下部滾落，導(dǎo)致下部充填較密實(shí)所致。具體表現(xiàn)為中上部最大，上部次之，下部較?。?］。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)趙各莊礦3237綜放工作面支架工作阻力和上覆巖移規(guī)律研究，可得出以下結(jié)論:

1)工作面初次來(lái)壓步距為16～18 m，平均為17m，支架增載系數(shù)1.47～2.33，平均為1.9，初次來(lái)壓較明顯;周期來(lái)壓步距11～13m，平均為12m，支架增載系數(shù)1.15～1.36，平均為1.26，周期來(lái)壓不明顯。

2)前柱支架平均阻力約為612 kN，后柱支架平均阻力約為295 kN，前柱約為后柱的2倍，放頂煤工作面中支架前柱工作阻力普遍大于后柱。

3)頂煤、直接頂和老頂?shù)氖紕?dòng)點(diǎn)與煤壁的距離分別為16m、18m和23m，上覆頂煤與頂板始動(dòng)點(diǎn)超前于煤壁，水平方向和垂直方向上均出現(xiàn)了位移。

4)大傾角綜放開(kāi)釆過(guò)程中，頂煤的移動(dòng)規(guī)律為沿一條接近重力方向的曲線移動(dòng)，在支架后部的頂煤甚至沿煤層傾向移動(dòng)加大。因此導(dǎo)致頂煤對(duì)支架后部?jī)A向分力增加，使得大傾角綜放支架傾倒的復(fù)雜性與風(fēng)險(xiǎn)性增加。

［1］ 樊運(yùn)策.高產(chǎn)高效綜放開(kāi)采新技術(shù)新裝備的試驗(yàn)研究［A］.地下開(kāi)采現(xiàn)代技術(shù)理論與實(shí)踐新進(jìn)展［C］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007

［2］ 劉占春.礦壓顯現(xiàn)技術(shù)研究［D］.北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，2011

［3］ 鄭軍.大傾角厚煤層放頂煤開(kāi)采覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律與礦壓特征研究［D］.焦作:河南理工大學(xué)，2011

［4］ 錢鳴高，茅獻(xiàn)彪，廖協(xié)興.采場(chǎng)覆巖中關(guān)鍵層上載荷的變化規(guī)律［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1998，23(2):135

［5］ 劉興國(guó).放礦理論基礎(chǔ)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1995

［6］ 劉躍飛.大傾角特厚煤層綜放采場(chǎng)支架一圍巖相互作用關(guān)系研究［D］.太原理工大學(xué)，2012