吳建紅

（山煤集團(tuán)煤業(yè)管理有限公司晉北分公司，山西 大同 037100）

煤炭在我國(guó)未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能源供給上仍占據(jù)著重要地位。我國(guó)已有的煤炭資源儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，厚煤層堅(jiān)硬頂板煤炭資源儲(chǔ)量約占全國(guó)儲(chǔ)量的1/3； 其中堅(jiān)硬頂板失穩(wěn)破斷產(chǎn)生強(qiáng)壓事故發(fā)生比例較高，表現(xiàn)為大面積懸頂、不易垮落、垮落時(shí)來(lái)壓大，易造成支架壓死等礦壓事故，極大地影響了礦井安全生產(chǎn)[1-3]。因此，掌握厚煤層堅(jiān)硬頂板工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律對(duì)于工作面安全回采有著重要的意義。

1 工程概況

1.1 工作面概況

韓家洼煤礦回采煤層為22 號(hào)煤，為黑色半亮型煤為主，暗煤次之。夾矸為灰色、塊狀，含高嶺質(zhì)、節(jié)理發(fā)育的泥巖。煤層厚度10.3～12.7 m，平均厚度11.5 m，煤層傾角2°～8°，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。老頂為砂巖，厚度為4.2～26.9 m，整體性好，賦存穩(wěn)定，強(qiáng)度高，屬于堅(jiān)硬頂板。22203 綜放工作面的煤層頂?shù)装鍘r性特征見(jiàn)表1。

表1 韓家洼煤礦22203 綜放工作面煤層頂?shù)装鍘r性特征

22203綜放工作面采用低位放頂煤開(kāi)采的采煤方法，推進(jìn)方向?yàn)檠孛簩拥装逵杀毕蚰贤七M(jìn)，采用全部垮落法管理采空區(qū)頂板。綜合考慮工作面設(shè)備及煤層賦存條件等，確定采高為3.0 m，放頂煤高度為8.5 m。

1.2 礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)

在堅(jiān)硬頂板和厚煤層綜放開(kāi)采的雙重作用下，韓家洼煤礦22 號(hào)煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)較普通工作面更加強(qiáng)烈（見(jiàn)圖1），主要體現(xiàn)在：

圖1 工作面兩側(cè)巷道圍巖破壞

（1）由于頂板堅(jiān)硬，容易形成大面積懸頂，來(lái)壓時(shí)礦壓較大；

（2）由于開(kāi)采高度較大，頂板下沉空間較大，頂板垮落時(shí)容易對(duì)支架造成沖擊；

（3）由于厚煤層綜放作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致頂板對(duì)煤壁作用壓力時(shí)間增長(zhǎng)，容易導(dǎo)致大面積片幫。

（4）受工作面強(qiáng)烈的超前支承壓力影響，在超前工作面前方約100 m 范圍內(nèi)兩側(cè)順槽巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈，巷道變形量大，錨桿(索)有破斷現(xiàn)象發(fā)生。

上述強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)已嚴(yán)重影響了韓家洼煤礦的安全、高效生產(chǎn)。因此，迫切需要結(jié)合韓家洼煤礦22 號(hào)煤的具體工程地質(zhì)條件與生產(chǎn)技術(shù)條件，深入研究厚煤層綜放工作面堅(jiān)硬頂板破斷運(yùn)動(dòng)規(guī)律與礦壓顯現(xiàn)特征，為工作面安全高效開(kāi)采提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

2 礦壓監(jiān)測(cè)設(shè)備與監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

在工作面支架上安裝20 部GPD60 礦用本安型壓力傳感器，工作面兩端各安裝1 部，中部均勻布置18 部，數(shù)據(jù)傳輸?shù)終J515 礦用本安型分站，分站再通過(guò)線路將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娣?wù)器，每天24 小時(shí)連續(xù)記錄支架壓力變化，進(jìn)而判斷頂板來(lái)壓情況。工作面開(kāi)始回采后，定期統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，直接頂初次垮落后，每班對(duì)各項(xiàng)礦壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)一次，直至老頂初次來(lái)壓結(jié)束，之后每天觀測(cè)一次。測(cè)區(qū)布置及儀器布設(shè)見(jiàn)圖2。

圖2 工作面礦壓監(jiān)測(cè)測(cè)站和儀器布置

3 頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律

3.1 直接頂厚度

式中：h為采高；mz為直接頂厚度；KA為巖梁觸矸處已冒落巖層的碎脹系數(shù)；SA為巖梁觸矸處沉降值[4]。

由于22203 綜放工作面設(shè)計(jì)采高為3.0 m，因此 把h=3.0 m，SA=0.48 ～0.84h，KA=1.25 ～1.35/1.3 代入上式中，求得直接頂平均厚為mz=3.4 m。結(jié)合工作面巖層情況判定，直接頂由22 號(hào)煤頂部細(xì)砂巖組成，平均厚度約3 m。

3.2 直接頂分類

為了確定頂板巖層的具體屬性，將直接頂分為1～4 類，其中D為直接頂?shù)膹?qiáng)度指標(biāo)[4]。

經(jīng)計(jì)算D=10σcC1C2=10×70×0.47×0.38

=125.02

式中：σc為巖石單向抗壓強(qiáng)度，取70 MPa；C1為巖石節(jié)理裂隙間距，取經(jīng)驗(yàn)值0.47；C2為巖石完整性系數(shù)，取經(jīng)驗(yàn)值0.38；直接頂初次垮落步距約35 m，因此可確定22203 工作面頂板為堅(jiān)硬頂板。

表2 直接頂分類指標(biāo)

3.3 老頂分類

老頂?shù)姆旨?jí)主要根據(jù)直接頂厚度與采高的比值N=∑hz/h，再參照老頂初次垮落步距L0，將老頂分為4 級(jí)，見(jiàn)表3[4]。式中：N為直接頂與采高的比值； ∑hz為直接頂累計(jì)厚度，取∑hz=3.0 m；h為煤層采高，取3.0 m；L0為老頂初次來(lái)壓步距，取70 m。

代入公式得N=1，由于L0=70 m，參照表3可知22203 工作面老頂級(jí)別為Ⅲ級(jí)，老頂來(lái)壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。

表3 老頂分級(jí)

3.4 來(lái)壓步距

22203綜放工作面液壓支架型號(hào)為ZF7500/18/35，取液壓支架工作阻力超過(guò)最大工作阻力的85%即6 375 kN時(shí)，可以判斷為頂板來(lái)壓。實(shí)測(cè)2個(gè)支架循環(huán)末工作阻力隨工作面推進(jìn)的變化曲線見(jiàn)圖3，各個(gè)測(cè)站部位頂板的初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距見(jiàn)表4。從圖表中可以發(fā)現(xiàn)：工作面30#支架，周期來(lái)壓步距平均為33.5 m； 工作面50#支架，周期來(lái)壓步距平均為34.5 m。工作面各部位老頂初次來(lái)壓步距平均70 m； 各部位周期來(lái)壓步距30～40 m，平均34 m。

圖3 工作面支架循環(huán)末阻力隨工作面推進(jìn)的變化情況

表4 各個(gè)測(cè)站部位頂板的初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距

4 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

4.1 支架阻力

表5為工作面不同部位頂板來(lái)壓對(duì)支架阻力影響，平均動(dòng)載系數(shù)為1.2，屬于來(lái)壓較明顯的綜放工作面。

表5 支架實(shí)測(cè)頂板來(lái)壓時(shí)支架工作阻力變化

4.2 支架初撐力

支架循環(huán)初撐力統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表6：30#與50#的支架初撐力分別為額定初撐力(6 185 kN)的98%和95%，工作面初撐力利用率較高。30#、50#的支架初撐力在5 300～7 500 kN區(qū)間分別占89.6%和85.7%，支架初撐力分布頻率主要集中在此區(qū)間，而支架額定初撐力為6 185 kN，說(shuō)明大部分液壓支架初撐力大于額定初撐力。但是，還有一小部分支架的初撐力小于2 300 kN，若初撐力較小將對(duì)控制早期頂板下沉不利，不利于保持頂煤和直接頂?shù)耐暾?，不利于工作面支架安全維護(hù)，應(yīng)予以重視，以保證支架初撐力達(dá)到合格值。

表6 支架初撐力統(tǒng)計(jì)

4.3 支架循環(huán)末阻力

支架循環(huán)末阻力統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表7：30#與50#的支架循環(huán)末阻力平均值分別為額定工作阻力(7 500 kN)的97.4%和96.6%，工作面礦壓顯現(xiàn)明顯。30#、50#的支架循環(huán)末阻力在6 000～7 500 kN區(qū)間分別占92.4%和88.9%，支架循環(huán)末阻力主要集中在此區(qū)間，說(shuō)明支架工作阻力得到了充分利用，支架利用率較高，支架的選型比較合理。

表7 支架循環(huán)末阻力統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)韓家洼煤礦22 號(hào)煤22203工作面堅(jiān)硬頂板礦壓顯現(xiàn)異常等問(wèn)題，本文采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，對(duì)22203 工作面回采過(guò)程中的礦壓進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析結(jié)果可知：

1）22203綜放工作面煤層頂板屬堅(jiān)硬頂板，老頂級(jí)別為Ⅲ級(jí)老頂，來(lái)壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。老頂初次來(lái)壓步距平均70 m，工作面各部位來(lái)壓時(shí)間和來(lái)壓步距均不同；老頂周期來(lái)壓步距平均34 m。

2）綜放工作面的支架初撐力在5 300 ～7 500 kN區(qū)間分別占89.6%和85.7%，支架初撐力較高，工作面支護(hù)質(zhì)量管理較好；支架末阻力在6 000～7 500 kN區(qū)間分別占92.4%和88.9%，支架工作阻力較大，支架利用率較高；工作面周期來(lái)壓的平均動(dòng)載系數(shù)為1.2，屬于來(lái)壓較明顯的綜放工作面。