淺埋深綜放采場覆巖管理與控制

摘要：本文對采場覆巖運動規律進行了理論分析和實測研究，提出了控制采場礦壓顯現的技術措施，取得了較好效果。

關鍵詞：綜放采場淺埋深覆巖運動頂板控制

1 概述

神通煤礦1505E綜放工作面所開采煤層為5#煤層。該煤層平均厚度為5.3m，傾角為6-80，煤層硬度系數f在2.5左右，埋深為190m左右，屬淺埋深煤層。工作面頂板為3.56m的灰黑色粉砂巖，泥質膠結，中間夾有泥巖和煤線，其上部為中厚層狀的中細砂巖和砂巖互層，底板為深灰色粉砂巖。工作面采用綜采放頂煤一次采全高走向長壁采煤法，采高2.1m，放煤高度3.2m。

根據1505E綜放工作面覆巖運動規律，得到了合理的支架參數，提出了科學的頂板控制方案。

2 覆巖運動規律預測

2.1 頂煤初次垮落步距。采高2.1m，放高3.2m。其中，煤層容重1.4t/m3，平均抗拉強度0.964Mpa，則頂煤初次垮落步距為:C0=＝=20.9m。

2.2 直接頂厚度.按直接頂各巖層厚度小于其下部允許運動的自由空間高度的原理，由下而上逐層判斷，即：

MZ=Mi

其中：Mn≤h-Mi（KA-1），則巖層塌落。

Mn+1>h-Mi（KA-1），則巖層進入老頂范圍。

當m1=3.56m，

m1=3.56m

當m2=8.0m時，砂巖，分層判斷，分層厚度按1.0m計算。

第一分層：1.0m

第二分層：1.0m

以此類推，第八分層：

1.0m

當m3=0.6m，煤層

0.6m

當m4=12m，砂質泥巖，

12m

1)=1.254=1.004

因此，該巖層不能全部冒落，考慮到該巖層較厚，且老頂有一定的沉降值，因此該巖層全部歸入老頂范圍。

因此，直接頂總厚度為：3.56+8+0.6=12.16m。

2.3 直接頂垮落步距。由于直接頂由3.56m厚的粉砂巖、8m厚的細砂巖和0.6m厚的薄煤層組成，因此將分別發生垮落，分別計算其垮落步距。

由地質資料可知，本井田范圍內粉砂巖的抗拉強度平均為2.45Mpa，砂巖的抗拉強度平均為3.92Mpa，薄煤層抗拉強度平均為0.986 Mpa，巖層平均容重2.5t/m3。因此，直接頂各巖層的垮落步距分別為：

第一層：粉砂巖，厚度3.56m，初次垮落步距為：

Cz01==26.41m

第二層：細砂巖，厚度8m，分層垮落，則初次垮落步距為： Cz02==17.7m

第三層：薄煤層，厚度0.6m，初次垮落步距為：

Cz03==9.2m

直接頂初次垮落步距平均值為：（26.41+17.7+9.2）/3=17.78m

2.4 老頂 厚度及運動參數。由柱狀圖可知，老頂第一巖梁由砂質泥巖m4及薄煤層m5組成。由于在大采高采場對工作面礦壓顯現有明顯影響的覆巖范圍主要是直接頂各巖層，因此，只需計算老頂第一巖梁運動參數即可。由地質資料可知砂質泥巖抗拉強度平均為2.32 Mpa。

老頂第一巖梁厚度為：ME=12+0.58=12.58m

老頂第一巖梁初次來壓步距為：

C0===46.1m

式中:ms——支托層厚度，m。mc——隨動層厚度，m。?酌——巖梁平均容重，t/m3。?滓——支托層抗拉強度，t/m2。

老頂第一巖梁周期來壓步距為：

C1=C0/3=46.1/3≈15.36m

3 支架參數預計

3.1 支架阻力。放頂煤開采，由于頂煤較軟，可放性較強，不會形成頂煤懸頂，故按給定載荷處理。綜放采場，老頂巖梁的運動往往滯后于工作面，對工作面礦壓顯現有明顯影響的覆巖范圍主要是冒落帶內各巖層（直接頂）。建立采場控制設計模型如圖1所示。

圖1 采場控制設計模

頂煤厚度：3.2m；直接頂厚度：Mz=12.16m；支架控頂距：lk=5m；支架寬度：1.5m

控制準則:支架阻力不小于頂煤和直接頂全部作用力及老頂第一巖梁部分作用力之和力學保證條件：滿足老頂第一次裂斷時刻控制要求支護強度PT

PT=A1×Pm

式中A1—為頂煤和直接頂的作用力，Pm—動載系數，取1.5。

A1=hf×?酌f+Mz×?酌Z=3.2×1.4+12.16×2.5=34.88t/m2

將數據代入則：PT=34.88×1.5=52.32t/m2

因此支架工作阻力為：

RT=PT×ST=52.32×1.5×5=392.4t=3924kN

考慮支架工作阻力1.5倍的富裕系數，因此支架工作阻力不應低于5886kN。

3.2 支架高度。建立頂板下沉量預測模型如圖2：

圖2 頂板下沉量預測模型

=

式中：lk—采場控頂距，取5m；h—采高與放高之和，m；Mz—直接頂厚度，m；K—矸石碎漲系數，取1.35；CE—老頂周期來壓步距，m。

h=5.3m，mz=12.16m，CE=15.36m

?駐h=×5=0.34m

由此可見，支架縮量應不小于0.34m，對應的支架高度為1.70m-2.3m，考慮富裕系數，應選取ZF4000/15.5/25B型綜放支架。

4 覆巖運動規律實測

對1505E綜放工作面礦壓數據進行現場實測，對工作面支架阻力進行監測，將監測數據繪制成曲線圖，如圖3所示。

4.1 工作面上覆巖層運動規律。根據現場觀測，工作面推進至17.6m時，繼3.56m的灰黑色粉砂巖垮落以后，砂巖又發生初次垮落，造成工作面直接頂初次來壓。直接頂垮落后，老頂開始斷裂，緩慢下沉，隨著工作面向前推進及頂煤和直接頂的冒落，老頂懸跨度增加，當推進至47ｍ時，老頂加速下沉直至觸矸，造成老頂初次來壓。主要表現為采場中部機道頂煤破碎，不易維護，同時煤壁片幫，并且整個采場都出現片幫。初次來壓后，老頂進入周期來壓，根據現場實測，周期來壓步距在15.5m左右，來壓期間工作面礦壓顯現比較強烈，主要表現為支架阻力急劇上升，煤壁片幫。

4.2 工作面支架工作情況。支架載荷沿采場傾向分布方面具有以下特征：上下端頭處兩測區88.6%以上都處于初撐和一次增阻狀態，中下部測區處于初撐狀態的為62.3%。可見，兩端支架受頂板活動影響的范圍較小。與采場兩端相比，中部支架頂板活動影響較大，處于初撐狀態和一次增阻狀態的占69.6%，處于二次增阻狀態的占19.4%， 這主要是由于采場中部支撐壓力較大造成的。

通過對三次老頂來壓期間的支架安全閥進行統計觀測，其結果為：老頂初次來壓時的安全閥開啟率為27.2%；老頂第一次周期來壓時安全閥平均開啟率為16.9%，第二次來壓時安全閥平均開啟率為13.1%。以后又進行了幾次老頂來壓統計觀測，老頂周期來壓時安全閥開啟率都在12%左右。整個觀測過程支架只是個別連接件有損壞，未出現支架主要部件損壞的情況。

5 結語

5.1 5#煤層雖然埋深較淺，但1505E綜放工作面仍有一定來壓強度，并且存在明顯的初次來壓和周期來壓步距。直接頂厚度較大，初次來壓步距在17.5m左右，垮落時可造成強烈的礦壓顯現；當厚度大的老頂斷裂，回轉時造成直接頂結構失穩，采場礦壓顯現劇烈，出現機道頂煤破碎、煤壁偏幫等現象。

5.2 工作面支架阻力分布表現為中部大兩端小，表明頂板破斷為板式結構并具有弧形破斷。

5.3 直接頂結構的穩定性及支架上方頂煤和直接頂的剛度系數對采場礦壓顯現具有重要的影響。為實現對直接頂來壓，特別是老頂來壓時對直接頂結構穩定性的有效控制，必須保證支架有足夠的初撐力和工作阻力。

參考文獻：

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圖3 1505E綜放工作面礦壓顯現規律