兩軟薄煤層綜采面礦壓顯現規律研究

高 杰 屠世浩 李 明,2 孫璐璐 馬小濤

(1.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221116;2.山東省岱莊生建煤礦湖西礦井生技辦,山東省濟寧市,272300)

隨著我國煤礦開采強度的加大,厚及中厚煤層資源逐漸減少,薄及較薄煤層的開采逐漸受到煤炭企業的重視。本文針對淮北礦區祁南煤礦7122工作面地質生產條件,根據液壓支架工作阻力實時監測結果,分析薄煤層綜采面礦壓顯現規律,為淮北礦區或類似礦井薄煤層綜采提供依據和實踐經驗。

1 薄煤層地質生產條件

7122綜采工作面回采71煤層,工作面地面標高為+22.6 m,井下標高為-371.3～-400.6 m,工作面走向長545 m,傾斜長127 m,所在區域為單斜構造,工作面及四周共有3條斷層,工作面內小構造較為發育,局部地段煤層起伏較大,頂板較破碎,壓力較大。煤層傾向75～105°,傾角6～12°,平均為8°,煤層厚度為0.9～1.8 m,平均1.2 m,以薄煤層為主,可采指數100%;煤的堅固性系數f=0.2～0.3,煤質較松軟;直接頂為厚0～1.5 m的泥巖,基本頂為厚13～14.5 m的細-中粒砂巖,直接底為厚2.7～4.5 m的泥巖,強度較低,遇水易膨脹,煤層及底板強度較低,表現為兩軟特征。煤層頂底板柱狀圖見圖1。

圖1 7122工作面地層綜合柱狀圖

2 薄煤層綜采面采場礦壓觀測分析

2.1 采場礦壓規律觀測方案

通過在7122綜采面上、中、下部3個觀測區域10架液壓支架上安裝KBJ60-Ⅲ-1型礦壓實時監測儀表,觀測支架載荷隨工作面推進的變化規律,據此分析頂板圍巖活動規律、支架運行特性及支架合理工作阻力等。觀測點布置如圖2所示。

圖2 工作面觀測點布置示意圖

2.2 支護阻力隨工作面推進距離變化規律

7122綜采工作面回采15 m時,出現工作面直接頂初次垮落;隨著工作面繼續推進,在回采30 m左右時,出現老頂初次垮落,工作面大面積來壓,表現為工作面液壓支架支柱安全閥開啟、煤壁片幫等現象。

以工作面中部測區35#、45#支架觀測結果為例,頂板來壓及支護阻力變化統計結果見表1(其中Pm為末阻力、Pt為時間加權阻力,Km、Kt為對應動載系數),其支護阻力隨工作面推進變化規律如圖3所示。

表1 中部老頂來壓規律數據統計

圖3 中部支架支護阻力隨工作面推進距離變化規律

從表1可看出,工作面中部出現5次周期來壓,來壓步距平均為18.8 m,來壓動載顯現強度系數1.28,周期來壓期間支架末阻力平均為3509.86 kN,時間加權阻力平均為3206.88 kN;非來壓期間支架末阻力平均為2744.05 kN,時間加權阻力為2508.38 kN。

2.3 工作面傾斜方向支護阻力分布規律

周期來壓期間工作面傾斜方向末阻力分布及時間加權阻力分布如圖4所示。傾斜方向上末阻力與時間加權阻力分布呈現的趨勢基本一致,中部偏大,上、下部偏小,主要是由于工作面老頂垮落時呈現兩端應力向中部偏移,中上部傾角小較平緩,下部傾角有所增大,在12°左右,由于采高較小,其來壓強度不顯著。

綜上,7122綜采面礦壓顯現有以下特征。

(1)綜采面來壓動載系數較小,工作面老頂周期性垮落步調基本一致,呈現整體來壓特征。

(2)工作面3個測區周期來壓期間支架平均末阻力分別為3445.16 kN、3509.86 kN、2788.85 kN,非來壓期間支架平均末阻力分別為3074.25 kN、3206.88 kN、2575.11 kN,工作面周期來壓期間整體支架工作阻力較小,動載系數基本相同;支架載荷富裕系數適宜,能夠保持高效穩定運行。

圖4 周期來壓期間工作面傾斜方向阻力分布

3 薄煤層回采巷道圍巖穩定性分析

為確定工作面超前支承壓力影響范圍,比較巷道在錨網索、架棚(局部為全封閉棚)及U型鋼等支護方式下的支護效果,在機巷和風巷分別超前70 m和120 m處布置測站,觀測巷道頂底板、兩幫位移變化情況及錨網索、U型鋼支護質量,120 m處測站的巷道表面移近量及移近速度分別如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可見,巷道頂底板和兩幫相對位移變化趨勢相同,頂底板相對移進量及變化速度較兩幫大。由前述工作面傾斜方向頂板壓力分布規律可知,主要是機巷位于工作面上部,機巷頂板支承壓力較風巷大。巷道圍巖整體變形較為顯著,頂底板及兩幫累計移進量達862 mm、552 mm,位移速度達130 mm/d、112 mm/d。在頂底板移近量中以底鼓為主,這與底板巖性較弱有關。巷道變化情況見圖7。根據受采動影響程度不同,巷道表面移近速度變化特征,沿走向超前采動影響可劃分為3個區段。

(1)采動影響輕微區,距工作面60 m以外區域。超前支承壓力較小,圍巖受其影響顯現不顯著,表現為巷道位移速度小,圍巖變形不顯著。

(2)采動影響明顯區,距工作面60～25 m區域。隨工作面繼續推進,超前支承壓力呈增大趨勢,受其作用巷道圍巖變形速度變大,表面移進量較為顯著。

(3)采動影響劇烈區。距工作面25 m以內區域。超前支承壓力較大,受集中壓力作用,圍巖塑性區發育范圍急劇增大,表現為巷道圍巖變形速度明顯增快,巷道表面變形劇烈。

圖7 現場觀測巷道變化情況

4 結論

(1)薄煤層綜采面來壓動載系數較小,老頂周期性垮落步調基本一致,呈現整體來壓特征。

(2)薄煤層綜采面傾斜方向上頂板載荷呈現工作面中部大,上、下部偏小的特征,主要是由于工作面兩側為實體煤,老頂垮落時呈現兩端應力向中部偏移,中上部傾角小較平緩,下部傾角有所增大,工作面在來壓期間支架載荷富裕系數適宜,支架能夠保持高效穩定運行。

(3)頂底板移近量及移近速度較兩幫稍大,頂底板移近量中以底鼓為主,機巷圍巖變形較風巷顯著,采動影響程度以沿工作面走向超前煤壁60 m、25 m為界可劃分為3個區段:采動影響輕微區,采動影響明顯區及采動影響劇烈區,兩巷應從煤壁前方25 m左右開始加強支護,以確保巷道圍巖穩定性滿足斷面要求。

[1] 溫慶華.薄煤層開采現狀及發展趨勢[J].煤炭工程,2009(3)

[2] 錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業大學出版社,2003

[3] 耿獻文.礦山壓力測試技術[M].徐州:中國礦業大學出版社,2002

[4] 張榮立,何國緯,李鐸.采礦工程設計手冊[M].北京:煤炭工業出版社,2006

[5] 黃炳香,代學靈,曹勝根等.松軟煤層簡放開采的礦壓特征與適應性研究[J].采礦與安全工程學報,2006(3)

[6] 趙洪亮,袁永,張琳.大傾角松軟煤層綜放面礦壓規律及控制[J].采礦與安全工程學報,2007(3)