張 勇

(山西能源學院礦業(yè)工程系,山西省太原市,030006)

老舊礦井復(fù)采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

張 勇

(山西能源學院礦業(yè)工程系,山西省太原市,030006)

以圣華礦3101復(fù)采工作面為研究對象,得出了復(fù)采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。相比于常規(guī)工作面而言,復(fù)采工作面來壓步距較短,來壓強度較大,前、后立柱載荷不均衡,礦壓顯現(xiàn)更為明顯;過冒頂區(qū)時支架工作阻力相對非冒頂區(qū)較小,煤壁片幫有加劇趨勢。

老舊礦井 復(fù)采 礦壓顯現(xiàn) 工作阻力

20世紀末,有些煤礦由于采用刀柱式、殘柱式等落后采煤工藝,或采取采富棄貧的開采手段,導致大量的煤炭資源遺留在采空區(qū)內(nèi),促使面臨資源枯竭的老舊礦井開始著眼于礦井殘留煤體的開采,也稱為復(fù)采。復(fù)采工作面限于其回采環(huán)境的特殊性,其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與常規(guī)工作面往往有所不同。2005年之前,圣華礦一直采用巷柱式和倉房式采煤工藝對3＃煤層進行開采,破壞了3＃煤層完整性,為了提高礦井服務(wù)年限,需要對這部分煤層進行復(fù)采。現(xiàn)以3101工作面為例研究復(fù)采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

1 工作面概況

3101工作面為圣華礦設(shè)計的首個復(fù)采工作面,工作面位于3＃煤層中,煤層平均埋深為210 m,煤層均厚為6.6 m,煤層傾角平均為12.4°,工作面設(shè)計可采走向長度和傾斜長度分別為550 m和80 m。在工作面回采過程中會經(jīng)過原小煤窯開采遺留的區(qū)域或空巷,工作面所過的空巷區(qū)域即為巷柱式采煤遺留的采空區(qū)和巷道,空巷經(jīng)長時間后出現(xiàn)局部冒頂和片幫。3101工作面?zhèn)雾敒楹?.2 m的泥巖,直接頂為厚4.5～6.2 m的灰黑色沙質(zhì)泥巖,基本頂為厚9.5～16.5 m的砂巖,直接底為均厚2.4 m的泥巖,基本底為均厚4.5 m的砂質(zhì)泥巖－粗粒砂巖;工作面布置有運輸巷和回風巷,均采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護,工作面井下布置如圖1所示。工作面采用走向長壁綜合機械化放頂煤開采,采高為2.0 m,放煤高度為4.6 m,采用54架ZF4800/17/28型放頂煤支架進行放頂煤和采場支護。

圖1 3101復(fù)采工作面井下布置示意圖

2 礦壓觀測分析

沿3101工作面傾斜方向布置5條測線進行礦壓觀測,5條測線分別布置在5＃、15＃、27＃、36＃、48＃支架上。要求觀測時間不低于4次周期來壓,所采集數(shù)據(jù)與本礦常規(guī)開采工作面3402工作面對比以掌握3101復(fù)采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的特殊性。煤壁片幫、頂板冒落等宏觀顯現(xiàn)采用人員記錄。

2.1 初撐力分析

3402工作面所測支架最小初撐力為21.3 k N,最大初撐力1437 k N,平均初撐力為986 k N,分別為額定初撐力3956 k N的0.54%、36.3%和24.9%。根據(jù)所測支架各循環(huán)內(nèi)數(shù)據(jù)顯示,整臺支架初撐力分布在0～250 k N的約占7.1%,分布在250～500 k N的約占12.7%,分布在500～750 k N的約占19.8%,分布在750～1000 k N的約占44.2%,分布在1000～1250 k N的約占13.6%,超過1250 k N的約占2.6%。3101復(fù)采工作面所測支架初撐力最小值為25.3 k N,最大初撐力為1542 k N,平均初撐力為1012 k N,分別為額定初撐力的0.64%、38.9%和25.6%;根據(jù)所測支架各循環(huán)內(nèi)數(shù)據(jù)顯示,整臺支架初撐力分布在250～500 k N的約占13.4%,分布在500～750 k N的約占22.1%,分布在750～1000 k N的約占32.1%,分布在1000～1250 k N的約占28.4%,即小于250 k N和超過1250 k N的僅占4%。由此可知,復(fù)采工作面和常規(guī)工作面初撐力均普遍較低,3101工作面平均初撐力僅高出3402工作面26 k N,僅為額定初撐力的0.66%。分析認為,3＃煤層頂?shù)装鍘r層強度較低,頂煤離層明顯,支架存在不同程度鉆底現(xiàn)象,且升架時間偏短,是導致回采期間支架初撐力普遍較低的主要原因。

2.2 工作阻力分析

3402工作面5條測線所測支架最大工作阻力分別為4585 k N、4976 k N、4924 k N、4731 k N和4807 k N,平均為4805 k N,與額定工作阻力幾乎相等;平均工作阻力呈現(xiàn)兩端小中間大的現(xiàn)象,分別為2967 k N、3024 k N、3011 k N、2868 k N和2976 k N,平均為2969 k N,為額定工作阻力的61.9%,其中前后柱平均工作阻力分別1487 k N和1482 k N,前后柱基本無偏載現(xiàn)象。所測支架工作阻力主要分布在2000～3500 k N,約占統(tǒng)計數(shù)的91.2%。3101復(fù)采工作面5條測線所測最大工作阻力分別為4685 k N、4998 k N、4824 k N、4831 k N和4907 k N,平均為4849 k N,為額定工作阻力的101%;平均工作阻力呈現(xiàn)兩端小中間大的現(xiàn)象,分別為3167 k N、3204 k N、3418 k N、3268 k N和3273 k N,平均為3266 k N,為額定工作阻力的68.1%,其中后柱工作阻力平均為732 k N,為前柱平均工作阻力的31.4%。所測支架工作阻力主要分布在2000～3500 k N,約占統(tǒng)計數(shù)的85.4%。由此可知,3101復(fù)采工作面平均工作阻力和平均最大工作阻力比3402工作面分別要高297 k N和44 k N,且復(fù)采工作面前后柱存在明顯偏載現(xiàn)象。復(fù)采工作面支架工作阻力相對較大,其原因是前期回采后基本頂已經(jīng)形成了較為穩(wěn)定的某種結(jié)構(gòu),承載了上覆巖層重量,復(fù)采工作面在回采過程中,頂板巖層很難形成新的結(jié)構(gòu),上覆巖層重量基本由支架承擔,這樣造成復(fù)采工作面支架工作阻力相對較大。

2.3 礦壓顯現(xiàn)分析

根據(jù)現(xiàn)場觀測可知,3402工作面推進16.2 m時直接頂垮落,推進29.4 m時基本頂大面積垮落,而3101工作面推進15.7 m時直接頂垮落,推進26.5 m時基本頂大面積垮落,故復(fù)采工作面初次垮落步距相比于實體煤常規(guī)工作面而言相對較短。3402工作面和3101工作面支架工作阻力隨工作面推進變化曲線如圖2所示,圖2顯示,3402工作面來壓步距11.4～13.4 m,平均為12.6 m; 3101工作面來壓步距為9.3～10.1 m(過冒頂區(qū)范圍除外),平均為9.6 m。3402工作面初次來壓和周期來壓期間,支架平均工作阻力為3987 k N和3664 k N,動載系數(shù)分別為1.28和1.32;3101工作面初次來壓和周期來壓期間,支架平均工作阻力分別為4024 k N和3846 k N,動載系數(shù)分別為1.40和1.37。由此說明,相比于實體煤常規(guī)工作面而言,復(fù)采工作面來壓步距相對較短,來壓強度相對較大,礦壓顯現(xiàn)更為明顯。

圖2 3402工作面和3101工作面支架工作阻力隨工作面推進變化曲線

2.4 復(fù)采工作面冒頂區(qū)礦壓分析

3101工作面第二次周期來壓時要通過空巷冒頂區(qū),冒頂區(qū)距開切眼37～49 m,觀測結(jié)果見圖2所示,由圖2可知過冒頂區(qū)來壓步距為24 m(第二和第三峰值點之間距離),遠大于非冒頂區(qū)來壓步距;臨近冒頂區(qū)時支架工作阻力呈先上升后下降趨勢,支架最大工作阻力可達4857 k N(距離36 m處),在通過冒頂區(qū)時支架工作阻力逐漸降低,冒頂區(qū)內(nèi)支架平均工作阻力和最大工作阻力分別為2565 k N和4275 k N(距離37 m處),分別為額定工作阻力的53.4%和89.1%,相比工作面過非冒頂區(qū)而言平均工作阻力降低了242 k N;前柱平均工作阻力為1379 k N,后柱平均工作阻力為1186 k N,前柱是后柱的1.2倍。分析認為工作面臨近冒頂區(qū)時,冒頂區(qū)上方巖體破斷程度進一步加劇,破斷的巖體向采空區(qū)運移,導致支架工作阻力上升;進一步接近冒頂區(qū)和通過冒頂區(qū)時上方巖體發(fā)生回轉(zhuǎn),頂板壓力向采空區(qū)移動,支架工作阻力持續(xù)下降并逐漸回落,這就導致工作面過冒頂區(qū)時支架工作阻力相對較小,冒頂區(qū)頂板斷裂和運移導致復(fù)采工作面周期來壓不規(guī)律。

3 宏觀觀測

現(xiàn)場測量表明,非來壓期間3402工作面和3101工作面煤壁片幫率約占工作面傾斜長度的14%和16%,片幫尺寸平均為0.46 m×0.51 m(深度×高度,下同)和0.75 m×0.69 m;而來壓期間兩工作面煤壁片幫率約占工作面傾斜長度的21%和37%,煤壁片幫尺寸平均為0.76 m×0.81 m和0.96 m× 1.22 m;冒頂區(qū)煤壁片幫率約占工作面傾斜長度的26%,煤壁片幫尺寸平均為0.84 m×1.26 m。現(xiàn)場還發(fā)現(xiàn),3402工作面和3101工作面煤壁片幫基本都是處于工作面中部和中上部,以滑落式最為常見。由此說明復(fù)采工作面煤壁片幫普遍較常規(guī)工作面嚴重,且冒頂區(qū)受到頂板斷裂、運移和回采擾動作用,煤壁片幫有加劇趨勢。非來壓期間未見支架安全閥卸壓現(xiàn)象,來壓期間安全閥卸壓率為統(tǒng)計的2%,故支架支護狀態(tài)較好。

4 結(jié)語

(1)復(fù)采時,煤層上覆巖層因經(jīng)歷前期回采變形破壞無法形成新的結(jié)構(gòu),大部分上覆巖層重量直接由支架承擔,故相比于常規(guī)工作面復(fù)采工作面支架工作阻力相對較大,復(fù)采工作面后柱工作阻力僅為前柱的31.4%,復(fù)采工作面初撐力普遍較低,在回采時應(yīng)注意適當提高支架初撐力。

(2)相比于常規(guī)工作面復(fù)采工作面初次來壓步距和周期來壓步距相對較小,動載系數(shù)相對較大,煤壁片幫更為嚴重,礦壓顯現(xiàn)更為明顯。

(3)冒頂區(qū)的存在造成頂板巖層不規(guī)則斷裂,導致復(fù)采工作面周期來壓不規(guī)律,同時也一定程度加劇了煤壁片幫。工作面過冒頂區(qū)時,上方巖體發(fā)生回轉(zhuǎn),頂板壓力向采空區(qū)移動,支架工作阻力相比于非冒頂區(qū)較小。

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Study on strata behavior regularity of second miming face in old mine

Zhang Yong
(Department of Mining Engineering,Shanxi Institute of Energy,Taiyuan,Shanxi 030006,China)

Taking the 3101 second mining face in Shenghua Mine as the research object,strata behavior regularity of the second miming face was studied.The results showed that the second miming face had shorter weighting steps,larger ground pressure strength and more obvious strata behaviors compared with the normal working face,and loads of front and rear pillars were unbalanced,and there was a smaller support working resistance and more serious rib spalling when passing through the roof falling zone compared with normal zone.

old mine,second mining,strata behavior,working resistance

TD323

A

張勇(1983－),男,山西榆社人,講師,碩士研究生,主要從事采礦工程方面教學研究工作。

(責任編輯 張毅玲)

張勇.老舊礦井復(fù)采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].中國煤炭,2017,43(1):64－66,88. Zhang Yong.Study on strata behavior regularity of second miming face in old mine[J].China Coal,2017,43(1): 64－66,88.