王業(yè)征 李正杰 徐 剛 劉陽(yáng)軍 吳修光

(1.內(nèi)蒙古伊泰集團(tuán)有限公司紅慶河煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017000；2.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013)

大采高一次采全厚綜采技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)厚煤層安全高效回采的重要方法[1-2]。近年來(lái)，我國(guó)在鄂爾多斯地區(qū)淺埋厚煤層大采高綜采技術(shù)方面進(jìn)行了很多成功的探索和實(shí)踐應(yīng)用[3-7]，尤其是神東公司，如上灣煤礦12206工作面6.8 m大采高綜采、補(bǔ)連塔煤礦22303工作面7 m大采高綜采、補(bǔ)連塔煤礦8 m大采高綜采以及上灣煤礦1-2煤層四盤(pán)區(qū)8.8 m大采高綜采等，均取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。對(duì)于鄂爾多斯地區(qū)深部厚煤層而言，大采高綜采技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用也開(kāi)始逐漸增多[8-13]，尤其是新街及呼吉爾特礦區(qū)，如伊泰集團(tuán)的紅慶河煤礦、鄂能化公司的石拉烏素和營(yíng)盤(pán)壕煤礦、中天合創(chuàng)公司的門(mén)克慶和葫蘆素煤礦、淄礦集團(tuán)的巴彥高勒煤礦以及中煤能源公司的母杜柴登煤礦、蒙大煤礦和納林河二號(hào)井等普遍采用大采高綜采技術(shù)，埋深一般為600～700 m，采高為4.5～6.0 m?？梢?jiàn)，大采高綜采技術(shù)在鄂爾多斯地區(qū)深部厚煤層中已成為實(shí)現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效的主流開(kāi)采方式。但由于該地區(qū)深部厚煤層開(kāi)發(fā)時(shí)間短，深部大采高綜采工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律目前缺乏系統(tǒng)性研究，在實(shí)際回采過(guò)程中，大采高工作面表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)，甚至部分礦井回采巷道受采動(dòng)影響屢次發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害[14-15]，嚴(yán)重威脅井下作業(yè)人員安全及礦井的可持續(xù)發(fā)展。因此，有必要針對(duì)深部厚煤層大采高綜采工作面進(jìn)行礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究。本文以紅慶河煤礦深部6 m厚煤層為研究對(duì)象，開(kāi)展了深部6 m大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的實(shí)測(cè)研究，研究成果為紅慶河煤礦大采高采場(chǎng)安全高效回采提供實(shí)測(cè)依據(jù)，并為鄂爾多斯深部厚煤層開(kāi)發(fā)提供實(shí)踐參考。

1 工作面開(kāi)采條件

紅慶河煤礦隸屬東勝煤田新街礦區(qū)，開(kāi)采侏羅系中下統(tǒng)延安組3-1煤層，埋藏深度583.6～861.9 m，平均為718.6 m，煤層可采厚度0.80～8.45 m，平均為6.14m，煤層傾角1°～3°，可采面積為181.06 km2。紅慶河煤礦3-1煤層瓦斯含量特低，但煤塵具有爆炸性，煤層自燃傾向性為Ⅰ級(jí)(容易自燃)。3-1煤層單軸抗壓強(qiáng)度為23.9～29.3 MPa，平均為26.7 MPa，煤層為中硬以上；直接頂砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強(qiáng)度平均為24.7 MPa，基本頂中粒砂巖單軸抗壓強(qiáng)度平均為21.9 MPa，直接頂及基本頂巖石強(qiáng)度不高。

3-1401工作面為礦井北翼首個(gè)大采高綜采工作面，主采3-1煤層，工作面可采走向長(zhǎng)度2942 m，傾斜長(zhǎng)度241 m，煤層平均厚度為6.23 m，煤層傾角1°～3°，工作面可采儲(chǔ)量525.89萬(wàn)t。3-1401工作面采用“兩進(jìn)一回”巷道布置方式，分別為3-1401工作面回風(fēng)巷、3-1401工作面膠運(yùn)巷以及3-1402工作面輔運(yùn)巷，工作面煤層綜合柱狀圖及平面布置圖見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 煤層綜合柱狀圖

圖2 工作面平面布置圖

采煤方法為大采高一次采全厚綜合機(jī)械化開(kāi)采，最大采高6.5 m，截深0.865 m。采用全部垮落法管理頂板，工作面中部支架為ZY15000/33/67D型掩護(hù)式液壓支架，回風(fēng)巷采用4部ZZ10000/22/44垛式支架超前支護(hù)，膠運(yùn)巷采用ZT16000/29/50共2組自移支架進(jìn)行超前支護(hù)，支護(hù)長(zhǎng)度20m。

2 6 m大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

2.1 礦壓監(jiān)測(cè)設(shè)備布置

工作面共142組液壓支架，其中，KJ21礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在機(jī)頭1#、10#、20#、30#、40#、50#、60#、70#、80#、90#、100#、110#、120#、130#支架和機(jī)尾140#支架上。此外，回風(fēng)巷4部ZZ10000/22/44型垛式支架、膠運(yùn)巷2部ZT16000/29/50型超前支架均安裝1部CDW-60R型超前支架壓力記錄儀進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)。

2.2 工作面初次來(lái)壓

6 m大采高綜采工作面切眼采用了水力壓裂法對(duì)采幫側(cè)頂板進(jìn)行預(yù)裂處理。初采期間，通過(guò)礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)支架壓力進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，礦壓數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖3和表1所示。工作面推進(jìn)至48～60 m(不含切眼)期間(對(duì)應(yīng)時(shí)間2017年3月23-24日)，僅局部支架壓力達(dá)到初次來(lái)壓判據(jù)，為初次來(lái)壓前兆期；工作面推進(jìn)至75 m(對(duì)應(yīng)時(shí)間2017年3月26日)時(shí)發(fā)生大面積來(lái)壓，工作面中部多數(shù)支架安全閥開(kāi)啟卸壓，來(lái)壓強(qiáng)烈區(qū)域支架循環(huán)末阻力為13514～14879 kN，平均為14440 kN，占支架額定阻力的96.3%，動(dòng)載系數(shù)平均1.23，來(lái)壓顯著。

圖3 工作面初采期間循環(huán)末阻力曲線

表1 初次來(lái)壓期間支架循環(huán)末阻力及動(dòng)載系數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.3 快速推進(jìn)時(shí)周期來(lái)壓規(guī)律

2.3.1 工作面生產(chǎn)情況

統(tǒng)計(jì)1個(gè)月的生產(chǎn)情況作為基準(zhǔn)，工作面采高基本控制在5.8～6.1 m之間，平均為5.9 m，采高較穩(wěn)定；日推進(jìn)度5.6～12.8 m，平均為9.5 m，基本保持均衡、快速推進(jìn)，如圖4所示；產(chǎn)量平均為19410 t/d，達(dá)到高產(chǎn)高效的生產(chǎn)狀態(tài)。

2.3.2 工作面周期來(lái)壓

通過(guò)礦壓數(shù)據(jù)分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)宏觀礦壓現(xiàn)象，大采高綜采工作面來(lái)壓規(guī)律統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。工作面周期來(lái)壓步距為12.8～28.2 m，平均為21.1 m；來(lái)壓時(shí)支架循環(huán)末阻力為14508～14752 kN，平均為14641 kN，占支架額定工作阻力的97.6%，動(dòng)載系數(shù)平均為1.32。深部大采高綜采工作面周期來(lái)壓時(shí)礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，支架安全閥頻繁開(kāi)啟卸壓，增阻速率大，達(dá)到114～454 kN/min，如圖5所示。

2.4 推進(jìn)速度慢時(shí)周期來(lái)壓規(guī)律

2.4.1 工作面生產(chǎn)情況

同理，統(tǒng)計(jì)1個(gè)月的生產(chǎn)情況作為基準(zhǔn)，該工作面采高平均為5.9 m，采高一致；日推進(jìn)度為0～8 m，平均為3.4 m，推進(jìn)緩慢，如圖6所示。

圖4 大采高工作面2017年5月日推進(jìn)度統(tǒng)計(jì)

表2 工作面周期來(lái)壓情況統(tǒng)計(jì)

2.4.2 工作面周期來(lái)壓

同樣，通過(guò)礦壓數(shù)據(jù)分析得出，6 m大采高綜采工作面1月份推進(jìn)速度較慢時(shí)，工作面周期來(lái)壓步距為9.6～23.2 m，平均為15.8 m；來(lái)壓時(shí)支架安全閥頻繁開(kāi)啟卸壓，支架循環(huán)末阻力及增阻速率與工作面快速推進(jìn)時(shí)相當(dāng)，動(dòng)載系數(shù)平均為1.24。

工作面推進(jìn)速度與周期來(lái)壓步距、動(dòng)載系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，推進(jìn)速度由9.5 m/d減小至3.4 m/d時(shí)，周期來(lái)壓步距由21.1 m降低至15.8 m，降幅達(dá)25.1%。由于不同推進(jìn)速度條件下周期來(lái)壓時(shí)支架安全閥均達(dá)到開(kāi)啟卸壓狀態(tài)，即循環(huán)末阻力值相當(dāng)，因此，不能判斷推進(jìn)速度對(duì)來(lái)壓強(qiáng)度的影響關(guān)系，但工作面推進(jìn)速度加快，來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)反而增大，這是由于推進(jìn)速度快時(shí)有利于緩解非來(lái)壓期間的礦壓強(qiáng)度。

圖5 大采高綜采工作面在2017年5月11日支架工作阻力變化曲線

圖6 大采高工作面2018年1月日推進(jìn)度統(tǒng)計(jì)

3 巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

3.1 巷道監(jiān)測(cè)設(shè)備布置

3.1.1 采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)方案

采用KSE-III型煤體應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)3-1401工作面膠運(yùn)巷以及3-1402輔運(yùn)巷的采動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析工作面超前和側(cè)向支承壓力分布規(guī)律。

采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)共布置3組測(cè)站：

第一測(cè)站：在3-1401工作面膠運(yùn)巷實(shí)體煤幫安裝4部鉆孔應(yīng)力計(jì)，間距5 m，安裝深度為5 m、20 m，用于工作面超前應(yīng)力監(jiān)測(cè)；

第二、三測(cè)站：分別在3-1401工作面膠運(yùn)巷煤柱幫、3-1402輔運(yùn)巷煤柱幫各安裝6部鉆孔應(yīng)力計(jì)，間距均為5 m，安裝深度為5 m、7 m、9 m、11 m、15 m、20 m，對(duì)工作面煤柱側(cè)向應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

應(yīng)力監(jiān)測(cè)測(cè)站布置如圖7所示。

圖7 采動(dòng)應(yīng)力測(cè)站布置方案

3.1.2 錨桿(索)受力及頂板離層監(jiān)測(cè)方案

在兩巷距切眼960 m、1060 m處各安裝2組KJ21-F1礦用本安型監(jiān)測(cè)分站，每組分站包括錨桿錨索測(cè)力計(jì)和頂板離層儀，編號(hào)為：測(cè)點(diǎn)1-1、測(cè)點(diǎn)1-2、測(cè)點(diǎn)2-1、測(cè)點(diǎn)2-2，如圖8所示，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巷道受采動(dòng)影響下頂板離層、頂和幫錨桿(錨索)受力變化規(guī)律，從而對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖8 巷頂板離層與錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)設(shè)備布置

3.2 采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)

通過(guò)對(duì)第一測(cè)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分布特征如圖9和表3所示。工作面超前支承壓力影響范圍約110 m，應(yīng)力顯著變化區(qū)超前工作面55.4 m，應(yīng)力峰值位于工作面前方20 m，應(yīng)力集中系數(shù)1.51。根據(jù)煤體承載性能及應(yīng)力分布特點(diǎn)，將超前支承壓力影響范圍分為以下3個(gè)區(qū)域。

(1)超前工作面0～20 m范圍屬于應(yīng)力衰減區(qū)。此區(qū)域內(nèi)煤體經(jīng)歷超前支承壓力峰值并達(dá)到強(qiáng)度極限，煤體完整性遭到破壞，產(chǎn)生塑性屈服，承載能力大大降低，應(yīng)力向前方煤體轉(zhuǎn)移。

(2)超前工作面20～55 m范圍屬于應(yīng)力急劇升高區(qū)。此區(qū)域內(nèi)應(yīng)力顯著增加，應(yīng)力峰值為初始應(yīng)力的1.51倍。

(3)超前工作面55～110 m范圍屬于應(yīng)力緩慢升高區(qū)。此區(qū)域超前壓力逐漸顯現(xiàn)。

同樣，通過(guò)對(duì)第二測(cè)站、第三測(cè)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分布特征如表4和圖10所示。第二測(cè)站靠近工作面的鉆孔應(yīng)力計(jì)受超前應(yīng)力影響大，超前支承壓力影響范圍達(dá)100 m以上，在煤柱內(nèi)部遠(yuǎn)離工作面的測(cè)點(diǎn)受超前應(yīng)力影響范圍逐漸減小至38～60 m。各測(cè)點(diǎn)側(cè)向應(yīng)力峰值均位于采空區(qū)后方，表明大采高綜采工作面兩端頭頂板傾向破壞具有滯后性。此外，應(yīng)力集中系數(shù)向煤柱中部逐漸降低，呈現(xiàn)雙峰狀，中間20 m位置甚至不出現(xiàn)應(yīng)力集中，說(shuō)明在40 m煤柱中部存在彈性核區(qū)，彈性核寬度為11 m。

圖9 工作面超前應(yīng)力變化曲線

表3 第一測(cè)站鉆孔應(yīng)力計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表4 第二、三測(cè)站鉆孔應(yīng)力計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖10 40 m區(qū)段煤柱側(cè)向應(yīng)力集中系數(shù)分布

3.3 錨桿錨索受力及頂板離層監(jiān)測(cè)

3-1402輔運(yùn)巷頂板錨桿(索)受力及頂板離層變化曲線如圖11所示。

圖11 3-1402輔運(yùn)巷頂板錨桿(索)受力及頂板離層變化曲線

輔運(yùn)巷頂板錨桿受力在工作面前方時(shí)不顯著，在工作面后方逐步增加，采空區(qū)后方684 m達(dá)到穩(wěn)定值；頂板錨索受力在工作面推過(guò)該安裝位置后逐步增加，至采空區(qū)后方約600 m達(dá)到最大穩(wěn)定值。輔運(yùn)巷里程2050 m位置頂板離層深基點(diǎn)和淺基點(diǎn)位移由零同步增加，最大離層量1 mm，表明頂板整體性較好。輔運(yùn)巷里程2150 m位置頂板離層基本從工作面推至測(cè)點(diǎn)位置開(kāi)始，由零逐步增加，8月22日到10月2日受頂板活動(dòng)影響淺位基點(diǎn)變化劇烈，至采空區(qū)后方677 m之后基本保持穩(wěn)定，離層量累計(jì)5 mm，總離層量不大。

從錨桿錨索受力及頂板離層變化曲線可知，工作面前方輔運(yùn)巷受開(kāi)采影響較小，主要受采空區(qū)側(cè)向覆巖運(yùn)動(dòng)影響，在采空區(qū)后方600 m頂板活動(dòng)基本穩(wěn)定。

3.4 采場(chǎng)覆巖活動(dòng)立體模型

根據(jù)工作面及巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實(shí)測(cè)分析，以超前應(yīng)力、側(cè)向應(yīng)力、錨桿錨索受力及頂板離層量為參量，建立深部大采高采場(chǎng)覆巖活動(dòng)立體模型，如圖12所示。走向方向覆巖活動(dòng)從工作面前方110 m至后方600 m范圍，采動(dòng)應(yīng)力呈“單峰”狀，依次從原巖應(yīng)力區(qū)過(guò)渡到應(yīng)力升高區(qū)、應(yīng)力峰值區(qū)，再到應(yīng)力降低區(qū)，最后隨采空區(qū)頂板活動(dòng)穩(wěn)定而達(dá)到應(yīng)力穩(wěn)定狀態(tài)；外圍巷道支護(hù)體受力及頂板離層在采空區(qū)后方呈負(fù)對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，從工作面開(kāi)始負(fù)向遞增至采空區(qū)后方600 m達(dá)到穩(wěn)定。側(cè)向方向煤柱內(nèi)受覆巖活動(dòng)影響，煤體側(cè)向應(yīng)力呈“雙峰”狀，中部存有彈性核區(qū)。覆巖活動(dòng)立體模型對(duì)于工作面超前支護(hù)、區(qū)段煤柱留設(shè)、外圍巷道維護(hù)以及工作面頂板安全管理都具有指導(dǎo)意義。

圖12 深部大采高采場(chǎng)覆巖活動(dòng)立體模型

4 結(jié)論

(1)紅慶河煤礦大采高綜采工作面周期來(lái)壓步距、動(dòng)載系數(shù)與推進(jìn)速度具有正相關(guān)關(guān)系，可以此指導(dǎo)工作面過(guò)空巷等壓開(kāi)采設(shè)計(jì)。

(2)深部巨厚頂板條件下實(shí)測(cè)大采高綜采工作面超前支承壓力影響范圍達(dá)110 m，應(yīng)力峰值位于工作面前方20 m，可以作為劃分鄰空巷道沖擊地壓防治重點(diǎn)區(qū)域的依據(jù)；區(qū)段煤柱中部彈性核區(qū)的大小影響合理區(qū)段煤柱的留設(shè)。

(3)錨桿錨索受力、頂板離層量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)位于采空區(qū)后方600～700 m，采掘接替必須滿(mǎn)足的最小安全距離為700 m。