深部開采礦井回采工作面覆巖變化規(guī)律研究

文/孫永奎

深部開采礦井回采工作面覆巖變化規(guī)律研究

文/孫永奎

礦井進(jìn)行深部資源開采時(shí)，其礦山壓力規(guī)律與淺部有一定區(qū)別。因原巖應(yīng)力的增加，導(dǎo)致深部礦井巖體的流變性增強(qiáng)，從而使深部礦井開采過程中的巷道圍巖在表觀上呈現(xiàn)松軟、破碎的狀態(tài)，甚至某些巷道圍巖明顯呈現(xiàn)軟巖的特征。同時(shí),回采過程中，采掘空間的周圍會(huì)產(chǎn)生集中應(yīng)力即支承壓力。支承壓力將沿回采工作面推進(jìn)方向傳播，使巷道受到不同程度的一次或多次支承壓力影響，引起巷道圍巖在一定程度及階段內(nèi)處于應(yīng)力集中狀態(tài)，破壞區(qū)和塑性區(qū)范圍逐步擴(kuò)大，致使巷道難于維護(hù)。

黑龍江龍煤集團(tuán)雞西分公司東海煤礦作為集團(tuán)分公司13個(gè)主力礦井中進(jìn)行深部資源開采的礦井之一，了解深部回采工作面覆巖變化規(guī)律，科學(xué)確定支護(hù)方案，對礦井的安全高效與可持續(xù)發(fā)展有著顯著意義。本文針對東海煤礦五采區(qū)32#層195采煤工作面采用礦壓觀測了解覆巖變化規(guī)律的研究與應(yīng)用進(jìn)行了闡述，為礦井深部開采超前支護(hù)及沖擊礦壓防治提供了參考。

一、工作面概況

195采煤工作面位于礦井二水平五采區(qū)32#煤層，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。在右十一路9#點(diǎn)后4.5m處，有一走向170°傾角60°落差上幫0.5m下幫0.3m的正斷層，但對工作面影響甚微，預(yù)計(jì)最大涌水量為1～2m3/h。

195采煤工作面平均埋深為1060m，屬于典型的深部回采工作面。煤層厚度1.5m，向南單傾斜構(gòu)造，無褶皺，開采面積160050m2，采用采煤機(jī)落煤、單體液壓支柱支護(hù)的回采方式。

二、礦壓觀測區(qū)域設(shè)置

礦壓觀測是通過對長壁工作面支柱工作阻力、頂?shù)装逡平亢突钪驴s量的定期監(jiān)測與分析，精確掌握回采工作面推采過程中頂板運(yùn)動(dòng)傾向和來壓垮落的規(guī)律。通過監(jiān)測礦壓，可隨時(shí)掌握深部開采長壁工作面支柱的工作狀態(tài)，掌握頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，由此確定需控巖層范圍和參數(shù),分析采煤空間支架圍巖相互作用關(guān)系,為合理安排工序、合理選擇采煤參數(shù)以及進(jìn)行頂板控制設(shè)計(jì)提供了有力依據(jù)。

1.工作面測區(qū)布置

在采場內(nèi)設(shè)上中下3個(gè)測站，每個(gè)測站設(shè)置2條測線，上下測站與順槽煤柱間距15m。每條測線全部支柱安裝壓力計(jì)，由煤壁至采空區(qū)分別為P1、P2、P3、P4。每條測線均在帶有壓力表支柱下方靠近煤壁一側(cè)20cm左右設(shè)觀測點(diǎn)，由此測量頂?shù)装逡平考耙平俣龋瑴y點(diǎn)必須在頂?shù)装逯邪苍O(shè)牢固。（見圖1）

2.上下順槽測區(qū)布置

圖1工作面支柱阻力測區(qū)布置示意圖

上下順槽的超前支護(hù)部分，在20m范圍內(nèi)每隔5m設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)處安裝1塊YHY60(C)型礦用數(shù)字壓力計(jì)，每條順槽共設(shè)置4個(gè)測點(diǎn)，上下順槽合計(jì)安裝8塊。隨著工作面的不斷回采推進(jìn)，各測點(diǎn)依次回撤前移，但上下順槽內(nèi)始終保持4個(gè)測點(diǎn)不變。（見圖2）

3．支柱工作特性及適應(yīng)性分析

工作面采用單體液壓支柱設(shè)計(jì)壓力上限值為38Mpa，安全閥卸載壓力是38Mpa，詳細(xì)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)見表1。

由統(tǒng)計(jì)分析可知，實(shí)測上部測站支柱平均工作阻力為21.5MPa，占支柱額定工作阻力的57%；2號(hào)測站支柱平均工作阻力為19.6MPa，占支柱額定工作阻力的52%；3號(hào)測站支柱平均工作阻力為18.4MPa，占支柱額定工作阻力的48%。由此可見，所選測區(qū)內(nèi)支柱實(shí)際工作阻力相對不高，完全滿足支護(hù)要求，安全系數(shù)較大。

4．老頂周期來壓監(jiān)測與工作面礦山壓力觀測結(jié)果分析

根據(jù)YHY60(C)型礦用數(shù)字壓力計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知:在整個(gè)觀測期間，上部測區(qū)和中部測區(qū)來壓時(shí)有部分支柱安全閥開啟，下部支柱壓力基本未超額定工作阻力（41MPa）。從支柱壓力變化曲線可以看出:工作面周期來壓步距12～20m，工作面中部來壓先于上部和下部，最大平均壓力上部和中部偏高，工作面下部偏低。

同時(shí),為了得到工作面沿傾向上壓力分布規(guī)律以及沿走向支柱上壓力分布規(guī)律，分別對工作面上部210#209#198#196#支柱位置、中部70#69#支柱位置和下部50#49#支柱位置的第一、二、三排單體液壓支柱進(jìn)行了壓力監(jiān)測。結(jié)果如下：沿工作面走向越靠近煤壁，支柱壓力值越小，越靠近采空區(qū)支柱壓力越大。

圖2上下順槽超前支護(hù)測區(qū)布置示意圖

表1支柱基本技術(shù)參數(shù)表

三、研究結(jié)論

經(jīng)過理論分析與實(shí)際壓力觀測數(shù)值對比，深部開采礦井回采工作面覆巖變化規(guī)律有如下特點(diǎn)：

1.直接頂破碎

隨著回采工作面的推進(jìn)和控頂范圍內(nèi)的頂部下沉，直接頂?shù)墓?jié)理裂隙越來越多，特別是越靠近煤壁，其節(jié)理裂隙越多，使回采工作面直接頂板比較破碎，控頂區(qū)內(nèi)冒落度高。回采工作面正常推進(jìn)或按正規(guī)生產(chǎn)時(shí)，直接頂破碎程度體現(xiàn)較少，一旦回采工作面停產(chǎn)1～2天后，直接頂破碎程度表現(xiàn)明顯，具有明顯裂隙、支護(hù)能力不足導(dǎo)致臺(tái)階下沉的特征。

2．工作面超前支撐壓力影響范圍大

隨著開采深部的不斷增加，煤層頂板巖層承受的巖層厚度和容重也隨之增加，使頂板巖層承受較大的靜壓力與支撐動(dòng)壓力。煤層頂板在承受較大壓力、超過壓力峰值曲線時(shí)產(chǎn)生一定的節(jié)理裂隙，降低了巖層的抗壓強(qiáng)度。

深部回采工作面前方壓力是一個(gè)固定值（包括靜壓力與動(dòng)壓力），而頂板的抗壓強(qiáng)度降低，迫使頂板壓力向工作面的四周轉(zhuǎn)移，使回采工作面超前支撐壓力影響范圍擴(kuò)大，導(dǎo)致超前影響距離大，回采工作面前方100m即可觀測到頂板壓力的影響情況。

3．煤壁片幫嚴(yán)重，基本頂斷裂位置前移

由于深部回采工作面上腹巖層的厚度大，引起壓力大，而煤層或直接頂承載的抗壓強(qiáng)度較小，使其在超前壓力峰值附件，煤層與直接頂巖層已經(jīng)產(chǎn)生了一定的節(jié)理裂隙，導(dǎo)致承載能力降低，頂板下沉。如深部開采煤巖層的上覆巖層壓力一般達(dá)到20～25Mpa，加

上回采工作面超前集中移動(dòng)壓力的影響，使工作面前方煤巖層承擔(dān)30Mpa以上的壓力。

當(dāng)深部開采煤壁前方的壓力超過煤層的抗壓強(qiáng)度時(shí)，工作面前方煤壁極易產(chǎn)生下沉變形、煤壁片幫等，特別是采高越大和支柱、支架初撐能力較小的情況下，煤壁片幫更加嚴(yán)重，引起超前移動(dòng)支撐壓力峰值點(diǎn)前移和基本頂斷裂位置前移。

（作者單位：黑龍江龍煤礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司）

（責(zé)任編輯：周瓊）