淺埋煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實(shí)測(cè)分析及控制研究

何正剛

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013)

[摘要]基于沙坪礦18204綜采工作面回采期間各測(cè)站采集的支架工作阻力數(shù)據(jù)，分析初次來(lái)壓時(shí)支架壓死的事故原因，得出淺埋單一關(guān)鍵層條件下，頂板初次來(lái)壓期間中部支架工作阻力普遍高于兩端支架阻力，動(dòng)載系數(shù)較大，覆巖整體破斷裂隙直接貫通地表的礦壓顯現(xiàn)特征。通過(guò)FlAC3D和UDEC數(shù)值模擬軟件，模擬分析不同推進(jìn)速度下礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，提出通過(guò)縮短工作面長(zhǎng)度和加快推進(jìn)速度可明顯減小工作面超前支承壓力和影響范圍，降低煤壁水平位移量，并得到了現(xiàn)場(chǎng)的驗(yàn)證，為淺埋單一關(guān)鍵層下煤層的安全開(kāi)采提供有益參考。

[關(guān)鍵詞]淺埋深；礦壓顯現(xiàn)規(guī)律；初次來(lái)壓；推進(jìn)速度

[中圖分類號(hào)]TD323[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[收稿日期]2014-06-10

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.024

[基金項(xiàng)目]國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2010CB226806)

[作者簡(jiǎn)介]何正剛(1983-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，工程師，主要從事電液控制系統(tǒng)方面研究工作。

Underground Pressure Behavior Analysis of Mining Face in

Shallow-buried Coal-seam and Its Control

HE Zheng-gang

(BeijingTiandi Ma'ke Electro-hydraulic Control System Co., Ltd., Beijing 100013, China)

Abstract：The cause of powered support crushing in first weighting of 18204 full-mechanized mining face in Shaping Colliery was analyzed on the basis of working resistance data of powered support.It was obtained that working resistance of middle powered supports was generally larger than those at the two-end of mining face, dynamical load coefficient was large, and the mining fissures of surrounding rock reached surface.Underground pressure behaviors rule under different mining speeds were simulated with FLAC3D and UDEC.It was put forward that advanced abutment pressure, its influence range and horizontal displacement of coal-wall could be reduced obviously by shortening face length and increasing mining speed, which was proved by practice.This provided reference for safe mining under shallow-buried single key strata.

Keywords：shallow buried depth；underground pressure behavior rule；first roof weighting；mining speed

[引用格式]何正剛.淺埋煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實(shí)測(cè)分析及控制研究[J].煤礦開(kāi)采，2015，20(1)：82-85，77.

晉神河曲煤炭開(kāi)發(fā)公司沙坪礦是一座設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為2.4Mt/a的大型現(xiàn)代化礦井，共6層可采煤層，埋深130~230m，屬淺埋煤層。所采煤層頂板較完整，裂隙不發(fā)育。18204工作面主采8號(hào)煤，回采初期因初次來(lái)壓造成大面積支架壓死，給井下安全生產(chǎn)帶來(lái)巨大威脅。

為了揭示該煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及巖層破斷特征，從而能夠準(zhǔn)確掌握工作面頂板初次來(lái)壓、周期來(lái)壓步距和強(qiáng)度，對(duì)18204 回采工作面進(jìn)行了礦壓觀測(cè)，在此基礎(chǔ)上分析了回采空間支架與圍巖的相互作用關(guān)系，并基于此合理選擇了采煤參數(shù)、支護(hù)方式和頂板管理方法，使得工作面實(shí)現(xiàn)了安全正常生產(chǎn)。通過(guò)總結(jié)淺埋工作面回采期間的來(lái)壓規(guī)律，可為此類條件下煤層的安全開(kāi)采提供重要的借鑒意義。

1工作面地質(zhì)條件

18204工作面主采的8號(hào)煤位于山西組地層中部或中下部，依據(jù)鉆孔揭露情況來(lái)看，該工作面地表上覆黃土層為50m，埋深為136m，基巖厚度為86m，屬于典型的淺埋深開(kāi)采煤層。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般由3～7個(gè)分層組成，含2～6層夾矸，其中部有較穩(wěn)定的一層厚0.5～1m的黏土性?shī)A矸層。煤層頂板為泥巖、粉砂巖或粉質(zhì)砂巖，底板為黏土巖或泥巖，頂、底板巖性介于軟弱-中等堅(jiān)硬之間，巖體相對(duì)完整，裂隙不發(fā)育。

工作面走向長(zhǎng)1857m，凈寬300m，采高2.8～3.3m，傾角3～5°，煤層可采面積0.753km2；煤層厚度無(wú)明顯變化，平均厚3.20m，密度1.64t/m3，可采儲(chǔ)量3.94Mt；工作面煤層總體呈平緩的單斜構(gòu)造形態(tài)，局部波狀起伏。采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤法，頂板全部垮落處理采空區(qū)， ZY8000/17/35D掩護(hù)式液壓支架支護(hù)頂板，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

2工作面礦壓觀測(cè)方案

2.1　觀測(cè)內(nèi)容

礦壓顯現(xiàn)規(guī)律應(yīng)用工作面支架上安設(shè)的圓圖壓力自計(jì)儀記錄18204工作面回采期間不同時(shí)段的支架工作阻力，分析總結(jié)綜采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，包括初次來(lái)壓強(qiáng)度與步距、周期來(lái)壓強(qiáng)度與步距等。

液壓支架適應(yīng)性根據(jù)圓圖壓力自計(jì)儀的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和采場(chǎng)宏觀現(xiàn)象，結(jié)合液壓支架相關(guān)技術(shù)參數(shù)的計(jì)算公式，綜合分析支架的工作狀態(tài)、支護(hù)效果及其對(duì)頂板的適應(yīng)性。

2.2　測(cè)點(diǎn)布置

為了分析工作面沿傾斜方向不同部位頂板的來(lái)壓規(guī)律，掌握整個(gè)工作面在初次回采期間的壓力顯現(xiàn)規(guī)律、頂板的支護(hù)質(zhì)量及開(kāi)采邊界的影響，參照18204綜采工作面的周期來(lái)壓情況，沿工作面傾向，按照“三曲五線”的原則在工作面支架上布置了5個(gè)礦壓觀測(cè)圓圖自計(jì)儀，分別安裝在第20號(hào)、80號(hào)、90號(hào)、100號(hào)、160號(hào)支架上。同時(shí)，在上下巷道支設(shè)頂板下沉儀，并用支柱測(cè)力計(jì)對(duì)兩巷單體支柱的初撐力及工作阻力定期進(jìn)行巡回檢測(cè)，總結(jié)規(guī)律，為生產(chǎn)及搬家倒面工作積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具體布置如圖1所示。

圖1　工作面測(cè)點(diǎn)布置示意

3工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

3.1　18204工作面來(lái)壓情況

初次來(lái)壓工作面自2010年10月21日開(kāi)始回采，至2010年11月16日機(jī)頭推進(jìn)51m，機(jī)尾46m，平均距離47.5m，此時(shí)工作面初次來(lái)壓，造成工作面傾向45~148號(hào)架梁前切頂， 108~145號(hào)架大部分被壓死，而1~45號(hào)架頂板上方未來(lái)壓，支架完好無(wú)損。

圖2為沿工作面傾向初次來(lái)壓時(shí)支架的工作阻力情況。由圖2可看出，壓力主要集中在中部，兩端相對(duì)較弱，同時(shí)部分支架未接觸頂板而無(wú)工作阻力；分析數(shù)據(jù)可知，瞬時(shí)最大工作阻力為39.5MPa，為額定工作阻力的100.5%，動(dòng)載系數(shù)平均為1.25?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)得出，在來(lái)壓期間，采空區(qū)有頂板斷裂的悶響聲，工作面中部煤壁片幫嚴(yán)重，伴有劈裂的聲音，安全閥全部開(kāi)啟，頂板破碎，冒頂較嚴(yán)重，兩端無(wú)片幫，壓力不明顯。

圖2　工作面初次來(lái)壓時(shí)支架工作阻力

工作面來(lái)壓特征如圖3所示，隨工作面自切眼開(kāi)始回采，在初次來(lái)壓期間(約45m后)，沿工作面傾向，礦壓分布表現(xiàn)為工作面中部較大，兩端頭較小的特征；工作面中部煤壁片幫明顯，工作阻力大部分在21~30MPa之間，為額定工作阻力的81%~90%，兩端支架的工作阻力為72%~84%，仍有很大的富余量；中部來(lái)壓明顯早于兩端，步距略小，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，兩者相差3~6m；架間伴有局部冒頂現(xiàn)象，工作面頂板煤體較兩端酥碎。

圖3　工作面推進(jìn)過(guò)程中支架阻力變化

3.2　工作面支架特征分析

根據(jù)圓圖自計(jì)儀在工作面初采推進(jìn)過(guò)程中記錄的數(shù)據(jù)，分別對(duì)18204工作面中部的80號(hào)、90號(hào)和100號(hào)支架的初撐力和循環(huán)末阻力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，研究支架的運(yùn)行特征，見(jiàn)表2。

表2　18204工作面液壓支架工作阻力　kN

從表中可以看出，支架平均初撐力為5624.51kN(27.63MPa)，僅為額定工作阻力的70.31%，不符合規(guī)程中關(guān)于液壓支架初撐力不得低于額定工作阻力80%的規(guī)定；此外，27.63MPa的初撐力更低于31.5MPa的泵站壓力。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，原因一方面可能是受不穩(wěn)定頂板冒落狀態(tài)的影響，另一方面受乳化液泵站至支架之間管路漏液和支架漏液的影響。結(jié)合圖2可看出，工作面支架多處存在工作阻力為零的情況，這與支架工過(guò)分追求支架齊平而升架不到位，未觸及頂板有關(guān)。支架平均循環(huán)末阻力值6026.45/kN和時(shí)間加權(quán)平均工作阻力5718.58/kN分別為額定工作阻力的75.33%和71.49%，均有很大的富余量。

418204工作面來(lái)壓機(jī)理分析

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[2-9]，作為典型的淺埋煤層，其工作面上覆巖層一般呈現(xiàn)單一的關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，該關(guān)鍵層的破斷失穩(wěn)對(duì)工作面礦壓顯現(xiàn)和地表沉陷都有直接的影響。圖4為典型的淺埋煤層工作面上覆巖層為單一關(guān)鍵層的破斷示意圖。此類上覆巖層垮落僅存在垮落帶和裂縫帶，無(wú)彎曲下沉帶。隨著工作面的回采，直接頂懸臂巖梁在上覆巖層自重和開(kāi)采擾動(dòng)應(yīng)力、支架支護(hù)力的作用下，開(kāi)始彎曲下沉，兩端出現(xiàn)裂隙，過(guò)程可簡(jiǎn)化理解為由嵌固梁到簡(jiǎn)支梁的轉(zhuǎn)變，當(dāng)懸露面積達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)，基巖層一次全厚性垮斷，初次來(lái)壓表現(xiàn)強(qiáng)烈，并時(shí)常伴有滑落失穩(wěn)和臺(tái)階下沉現(xiàn)象，頂板破斷直接波及地表，造成地面沉陷，其破斷具有“O-X”形破斷特征。

圖4　典型淺埋煤層上覆巖層的單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)

結(jié)合18204工作面實(shí)際情況，在臨近初次來(lái)壓期間，工作面中部煤壁頂煤酥碎，煤壁片幫嚴(yán)重，在工作面頂板前方和采空區(qū)時(shí)常傳來(lái)頂板斷裂的聲音，即隨著懸頂面積的增大，工作面煤壁和切眼處所受的壓力逐漸達(dá)到極限，開(kāi)始破斷，發(fā)生扭轉(zhuǎn)。同時(shí)，初次來(lái)壓的位置所對(duì)應(yīng)的地表地形復(fù)雜，垂直于切眼方向存在2座山梁，滑坡嚴(yán)重，回風(fēng)巷開(kāi)始順切眼的方向140m處地表開(kāi)裂落差為1.5~2m的裂縫。在與切眼平行方向的35m處出現(xiàn)1條寬1m左右的拉動(dòng)裂縫，并在連續(xù)數(shù)日的監(jiān)測(cè)里發(fā)現(xiàn)，裂縫不斷擴(kuò)大，直到距工作面位置20m左右擴(kuò)大的趨勢(shì)停止。

5工作面推進(jìn)速度與覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律

相關(guān)研究表明，在滿足工藝要求的條件下，加快工作面推進(jìn)速度、避免工作面在某一位置滯留太久，可有效控制礦壓顯現(xiàn)帶來(lái)的問(wèn)題。

5.1　數(shù)值模擬分析

為弄清工作面推進(jìn)速度對(duì)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響，本文以沙坪礦18204工作面為模型，進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。模型分別采用FLAC3D和UDEC數(shù)值模擬軟件進(jìn)行建模，在相同的邊界條件下，對(duì)工作面回采200m時(shí)不同推進(jìn)速度下的采場(chǎng)圍巖位移分布特征及上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行模擬[10]。模擬過(guò)程中以計(jì)算時(shí)步大小來(lái)代表工作面在推進(jìn)200m這一位置的滯留時(shí)間長(zhǎng)短，從而間接反映工作面推進(jìn)速度的快慢。此外，由于FLAC3D和UDEC的運(yùn)算過(guò)程不同，兩者的時(shí)步并不具有一致性，因此對(duì)FLAC3D軟件取時(shí)步為500,1000及1500，分別代表推進(jìn)速度較快、普通及較慢，而對(duì)應(yīng)UDEC軟件，則分別取時(shí)步為5000，10000，20000。模擬結(jié)果如圖5所示。

從FLAC模擬分析圖中可以看出，隨著工作面推進(jìn)速度的加快，煤壁的水平位移量減小，即運(yùn)算時(shí)步越大(即推進(jìn)速度越慢)，工作面煤體及頂板的變形量就越大，越不利于工作面上覆巖層的控制；反之運(yùn)算時(shí)步越小(即推進(jìn)速度越快)，工作面煤體及頂板的變形量就越小。為此，應(yīng)適當(dāng)加快推進(jìn)速度，以控制工作面大面積來(lái)壓，造成壓架。此外，由FLAC模擬圖中可知，圍巖向煤避外側(cè)的水平位移也隨工作面推進(jìn)速度的增大而減小，因此片幫現(xiàn)象基本消失。

由UEDC模擬分析圖可以得出，工作面開(kāi)挖至200m處時(shí)，采空區(qū)上方直接頂完全垮落，但不同推進(jìn)速度下工作面圍巖應(yīng)力分布狀況有差別，推進(jìn)速度越快，工作面煤壁處應(yīng)力越小；反之，工作面推進(jìn)速度慢，則煤壁處應(yīng)力較大。這也解釋了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中許多工作面滯留較久時(shí)，常造成頂板來(lái)壓過(guò)大，出現(xiàn)煤壁處臺(tái)階下沉，上覆松散層與覆巖層整體斷裂作用在支架上，造成支架壓死現(xiàn)象的原因[11-13]。此外，由UDEC分析圖中還可以看出，頂板斷裂位置距離工作面回采空間(支架)位置均較遠(yuǎn)，因此迫使頂板盡快斷裂，避免懸頂，也是現(xiàn)場(chǎng)預(yù)防壓架的一項(xiàng)重要工作。

圖5　不同推進(jìn)速度下工作面圍巖位移特征和上覆巖層運(yùn)動(dòng)狀況

5.2　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

根據(jù)上述分析，發(fā)生支架壓死事故后，礦方采取了縮短工作面長(zhǎng)度并加快工作面推進(jìn)速度的方法，確保了安全生產(chǎn)。壓架前工作面長(zhǎng)度為300m，采用端部斜切進(jìn)刀方式割三角煤，雙向割煤的進(jìn)刀方式，每日進(jìn)尺6.4m。工作面壓架后，工作面縮短為200m左右，每早班割煤2刀，交替進(jìn)刀，工作面支架及時(shí)移步跟進(jìn)，再無(wú)支架壓死現(xiàn)象發(fā)生。上述方案只應(yīng)用于工作面初次來(lái)壓及前幾次周期來(lái)壓前后，18204工作面在初次來(lái)壓后，推進(jìn)47.5~303.5m范圍內(nèi)采用了縮短工作面并加快推進(jìn)速度的方法；為保證采出率及高產(chǎn)高效，推進(jìn)303.5m后，礦壓顯現(xiàn)穩(wěn)定時(shí)仍采取正常采煤工藝。

6結(jié)論

(1)18204工作面為典型的淺埋工作面，其初次來(lái)壓步距約為47.5m，初次來(lái)壓較強(qiáng)烈，動(dòng)載明顯，上覆松散層及覆巖關(guān)鍵層整體破斷，無(wú)彎曲下沉帶，裂隙直接貫通到地表，地面塌陷明顯。

(2)支架的平均初撐力、平均循環(huán)末工作阻力和加權(quán)平均阻力均低于額定工作阻力，總體上存在富余，但因操作不當(dāng)和泵壓管路破損造成初撐力不足，支架整體受力不均，對(duì)頂板的控制不力，不但容易造成支架受損，更易導(dǎo)致局部大面積支架壓死，影響工作面安全生產(chǎn)。

(3)淺埋工作面沿傾向方向不同部位的礦壓顯現(xiàn)程度不同，其中中部來(lái)壓較強(qiáng)烈，兩端較緩和，初次來(lái)壓期間常造成中部支架壓死，頂板破斷具有“O-X”形破斷特征。

(4)通過(guò)縮短工作面長(zhǎng)度和加快工作面推進(jìn)速度，可以減小工作面超前支承壓力的影響范圍并使峰值位置和頂板斷裂位置前移，降低工作面超前支承壓力集中程度，使煤壁的水平突出位移減小，這為淺埋綜采工作面的安全開(kāi)采提供重要參考。

[參考文獻(xiàn)]

[1]汪青倉(cāng)，趙永飛.淺埋深工作面礦壓觀測(cè).礦山壓力與頂板管理，2004，21 (3)：82-84.

黃慶享.淺埋煤層的礦壓特征與淺埋煤層定義.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(8)：1174-1177.

黃慶享.近淺埋煤層大采高礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實(shí)測(cè)研究.礦山壓力與頂板管理，2003，20(3)：58-59.

黃慶享，錢鳴高，石平五.淺埋煤層采場(chǎng)老頂周期來(lái)壓結(jié)構(gòu)分析.煤炭學(xué)報(bào)，1999，24(6)：581-585.

錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

侯忠杰.淺埋煤層關(guān)鍵層研究.煤炭學(xué)報(bào)，1999，24(4)：359-363.

張俊云，侯忠杰.淺埋采場(chǎng)礦壓及覆巖破斷規(guī)律.礦山壓力與頂板管理，1998，15(3)：92-110.

黃慶享.淺埋煤層長(zhǎng)壁開(kāi)采頂板結(jié)構(gòu)及巖層控制研究.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

伊茂森，張日晨.薄基巖淺埋煤層工作面頂板來(lái)壓過(guò)程研究.煤礦開(kāi)采，2008，13(4)：81-83.

[10]劉全明.淺埋綜采工作面礦壓顯現(xiàn)的推進(jìn)速度效應(yīng)分析.煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38(7)：24-26.

[11]李翔，張東升，張煒，等.丁家渠煤礦薄基巖淺埋煤層首采工作面礦壓實(shí)測(cè)分析.煤炭工程，2009，41(12).

[12]陶志勇，任艷芳.薄基巖淺埋深綜采工作面礦壓規(guī)律實(shí)測(cè)分析.煤礦開(kāi)采，2009，14(3)：93-94.

[13]柴敬，高登彥，王國(guó)旺，等.厚基巖淺埋大采高加長(zhǎng)工作面礦壓規(guī)律研究.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，26(4)：37-42.

[責(zé)任編輯：潘俊鋒]