張 凱
(山東能源臨礦集團(tuán)菏澤煤電公司,山東 菏澤 274700)
隨著煤炭開采向深部進(jìn)一步延伸,“三高一擾動(dòng)”對(duì)礦井的危害愈發(fā)明顯,特別是傾斜長壁工作面受上覆巖層壓力影響底鼓、片幫更為明顯,嚴(yán)重威脅著礦井生產(chǎn)和工人安全[1-3]。郭屯煤礦主井深853 m,副井深883 m,風(fēng)井深778 m,屬于埋深較大的礦井之一。受大采深的上覆巖層壓力影響,3303 傾向長壁工作面圍巖變形嚴(yán)重。為保證礦井安全生產(chǎn),對(duì)3303 工作面礦壓規(guī)律進(jìn)行研究并提出合理圍巖控制方案。
郭屯煤礦位于山東省菏澤市境內(nèi),井田面積69.33 km2,可采儲(chǔ)量16 460.7 萬t,礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力240 萬t/a,服務(wù)年限52.4 a。礦井當(dāng)前主采3號(hào)煤層,煤層厚度5.38~6.35 m,平均5.65 m,煤層傾角3.1°~7.9°,平均5.5°,煤層賦存穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,裂隙較發(fā)育。3303 工作面走向長度1150 m,傾向長度180 m,煤層厚度4.23~5.87 m,平均厚度為4.85 m,煤層傾角5.2°~12.1°,平均9.1°,走向俯斜開采1°~5°,平均3°。
工作面沿傾斜方向劃分為上、中、下三個(gè)測(cè)區(qū),每個(gè)測(cè)區(qū)設(shè)置8 臺(tái)監(jiān)測(cè)分站,將監(jiān)測(cè)分站的兩個(gè)監(jiān)測(cè)通道與液壓支架的兩個(gè)主立柱連接起來。通過頂板來壓的動(dòng)載壓力與支架靜載壓力的比值,也即動(dòng)載系數(shù)來反映上覆巖層運(yùn)動(dòng)情況。動(dòng)載系數(shù)小于1.2時(shí)來壓不明顯,位于1.2~1.5 之間時(shí)來壓明顯,位于1.5~2.0 之間時(shí)來壓強(qiáng)烈,大于2.0 表明來壓極其強(qiáng)烈[4]。
如表1 所示,通過對(duì)工作面液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè),分析得出工作面的動(dòng)載系數(shù)。可以看出,工作面在回采時(shí)頂板來壓明顯,且上部區(qū)域來壓最為明顯。如表2 所示,根據(jù)工作面三個(gè)區(qū)域的周期來壓規(guī)律分析得出下部、中部及上部區(qū)域的頂板周期來壓步距分別為17.5 m、16.2 m 及14.7 m。
表1 不同區(qū)域支架動(dòng)載系數(shù)統(tǒng)計(jì)
表2 不同區(qū)域基本頂周期來壓步距
巷道圍巖變形觀測(cè)采用十字布點(diǎn)法,分別在軌道順槽和皮帶順槽超前工作面150 m 處布置一組測(cè)點(diǎn),在工作面回采初期每周觀測(cè)2~3 次,工作面推進(jìn)50 m 后每天觀測(cè)一次,工作面推進(jìn)到與測(cè)點(diǎn)距離50 m 后,每天觀測(cè)2~3 次。
如圖1,當(dāng)工作面與軌道順槽測(cè)點(diǎn)距離50 m 時(shí)圍巖變形速率加快,頂?shù)装遄畲笠平繛?533 mm,兩幫最大移近量為1128 mm;當(dāng)工作面與皮帶順槽測(cè)點(diǎn)距離45 m 時(shí)圍巖變形速率加快,頂?shù)装遄畲笠平繛?217 mm,兩幫最大移近量為921 mm。
圖1 巷道圍巖最大變形量
傾斜長壁工作面在回采過程中,采空區(qū)頂板周期性垮落,上部區(qū)域冒落的頂板碎石沿著傾向向工作面下方滾落、滑移,形成下部壓實(shí)區(qū)、中部充分充填區(qū)和上部不充分充填區(qū)。由于三個(gè)區(qū)域的采空區(qū)矸石對(duì)頂板的支承反力不同,因此隨著工作面循環(huán)推進(jìn),導(dǎo)致頂板的周期性垮落步距也不相同。
工作面下部區(qū)域采空區(qū)為壓實(shí)區(qū),對(duì)上覆巖層的支承反力更強(qiáng),可將其基本頂簡(jiǎn)化為兩端固支梁,梁內(nèi)任意點(diǎn)的正應(yīng)力為:
在極限應(yīng)力狀態(tài)下,工作面下部區(qū)域頂板周期性垮落步距為[5]:
式中:στ為基本頂抗拉強(qiáng)度,MPa;q 為基本頂單位面積承受的載荷,MPa;h 為基本頂厚度,m。
工作面上部區(qū)域形成特殊的巖層空間,對(duì)煤體的作用力也較大,使上部區(qū)域工作面和巷道出現(xiàn)片幫。
上部區(qū)域建立彈性地基梁模型。通過計(jì)算得到上部區(qū)域頂板垮落步距為:
通過代入具體數(shù)據(jù)可知,傾斜長臂工作面上、中、下區(qū)域的周期垮落步距不同,其中上部區(qū)域垮落步距最小,中部區(qū)域次之,下部區(qū)域最大。
根據(jù)上文分析的上覆巖層頂板破斷規(guī)律、實(shí)測(cè)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和理論分析的采空區(qū)充填特征,針對(duì)性地提出礦壓控制措施。
根據(jù)工作面壓力情況,在軌道順槽施工高壓注水孔。注水孔距離工作面不低于100 m,孔間距不大于10 m,注水孔孔口高度低于巷道頂板1~1.5 m,注水孔垂直于煤幫,傾角和煤層傾角一致,孔深為80 m,注水壓力為6~12 MPa。
軌道順槽頂板預(yù)裂爆破孔每20 m 設(shè)置一組,每組三個(gè)爆破孔,鉆孔角度在傾向方向與頂板夾角70o±5°偏向工作面方向,在走向方向分別與頂板夾角45°、90°、134°,呈扇形分布,爆破孔孔底與頂板垂距8 m。爆破采用煤礦許用二級(jí)乳化炸藥,使用毫秒延期電雷管,每眼裝藥13 kg,每孔使用2 發(fā)同段電雷管,采用正向起爆方式。
工作面上、下兩順槽從工作面出口向外支設(shè)三路,使用HDJB-1000 型金屬鉸接頂梁配合DZ 型單體液壓支柱一梁一柱正懸臂走向支護(hù)。根據(jù)巷道圍巖移近量觀測(cè)變形速率的拐點(diǎn),確定軌道順槽超前支護(hù)不小于50 m,皮帶順槽超前支護(hù)不小于45 m。另外,在軌道順槽上幫每隔2 m 支設(shè)一棵液壓支柱,長度不小于100 m。超前壓力較大時(shí),應(yīng)根據(jù)壓力顯現(xiàn)情況加大超前支護(hù)范圍和支護(hù)密度;巷道高度超過3.5 m 時(shí),采取打木垛方法接頂。超前支護(hù)的單體初撐力不得低于11.5 MPa。
現(xiàn)場(chǎng)采取相應(yīng)圍巖控制措施后,在3303 工作面軌道順槽中心位置布置測(cè)站進(jìn)行位移監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)周期60 d。如圖2,觀測(cè)結(jié)果表明采取的圍巖控制措施效果良好,能充分滿足現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)的需要。
圖2 巷道表面位移變化曲線
(1)通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可以得到,3303 工作面在回采的過程中,其超前支承應(yīng)力、圍巖變形量和礦壓顯現(xiàn)具有非對(duì)稱性特征,軌道順槽和工作面上部區(qū)域的礦壓顯現(xiàn)明顯較大。
(2)通過理論分析可知,工作面回采后會(huì)形成不同的采空區(qū)充填特征,上中下三個(gè)區(qū)域分別為不充分充填區(qū)、充分充填區(qū)、壓實(shí)充填區(qū),三個(gè)區(qū)域所構(gòu)成的支架圍巖關(guān)系也不同。
(3)確定超前支護(hù)范圍軌道順槽不小于50 m,皮帶順槽不小于45 m,提出煤層高壓注水和深孔預(yù)裂爆破卸壓措施?,F(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)結(jié)果表明,采取的措施能充分滿足現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)需要。