特厚煤層綜放開采覆巖結構及礦壓顯現特征分析

李松茂

(大同煤礦集團鐵峰煤業公司 增子坊煤礦，山西 大同 037000)

隨著科學技術的不斷進步，煤礦開采逐步朝著綜合機械化的方向發展，針對特厚煤層，主要有三種開采方法，分別為綜合機械化放頂煤開采、一次采全高開采以及分層開采[1-2]。其中分層開采由于其弊端較多，已經被逐漸淘汰，目前多采用綜合機械化放頂煤開采以及一次采全高開采，且兩種方法各有優點[3]。綜合機械化放頂煤開采有著開采效率高、采出率大、工作面推進快的優點，但這種開采方法往往頂板活動方式更劇烈，使得頂板結構產生一定的變化，因此對特厚煤層綜放開采的頂板結構和礦壓顯現特征進行研究，對工作面實現安全生產有著重大的意義[4-5]。

1 工程背景

大同煤礦集團鐵峰煤業公司增子坊煤礦5300工作面，當前主采煤層為5號煤，煤層厚度為9.50～12.73 m，平均11.5 m，煤層傾角為0～5°，平均3°，屬于近水平煤層，在工作面開采范圍內，煤層賦存較為穩定，厚度變化較小。工作面地表標高為1 432～1 413 m，工作面標高為1 309.3～1 247 m，平均埋深為150 m。工作面傾斜長度為150 m，推進長度平均為1 314 m，采用綜合機械化放頂煤開采方式，采高為3.2 m，放煤高度為8.3 m。5300工作面布置ZF9000/18/35型低位放頂煤液壓支架96架，ZFG10000/23/37H型過渡液壓支架7架，并布置一組ZTZ16000/21/35F型端頭支架，維護膠帶巷與工作面交匯處的頂板。工作面頂底板柱狀，如圖1所示。

圖1 頂底板綜合柱狀

2 工作面頂板結構分析

在工作面采場的頂板巖層中，存在有對部分或者整個巖層進行支承的完整巖層，此類巖層通常稱為關鍵巖層。工作面頂板的關鍵巖層，對礦壓的顯現起著主導性的作用，關鍵層一般須滿足以下兩個條件：

1) 變形條件。即該巖層發生變形時，其撓度變形大小要小于位于該巖層下部的巖層，通常其下部巖層會與該巖層出現離層現象，用公式表達為：

q1/n+1

(1)

(2)

式中：q1/n+1為第n+1層巖層對第一層巖層的載荷，MPa；q1/n為第n層巖層對第一層巖層的載荷，MPa；Ei為第i層巖層的彈性模量，MPa；hi為第i層巖層的厚度，m；γi為第i層巖層的容重，kN/m3。

2) 強度條件。即當該巖層為關鍵層時，其下方巖層發生垮落的步距要小于該巖層。一般將巖層按照固支梁進行計算，得巖層垮落步距的計算公式為：

(3)

式中：li為第i層巖層的垮落步距，m；σi為第i層巖層的抗拉強度，MPa。

5300工作面頂板巖層主要有2層，分別為直接頂的砂質泥巖和基本頂的粗砂巖，將煤層上方直接頂視為第一層巖層，砂質泥巖容重為2.2×103kN/m3，彈性模量為1.2×103MPa，抗拉強度為2.7 MPa；粗砂巖容重為2.4×103kN/m3，彈性模量為2.9×103MPa，抗拉強度為5.1 MPa，對各巖層的載荷及垮落步距進行計算，得q1=19.78 MPa，q1/2=1.57 MPa；l1=4.4 m，l2=54.9 m，因q1/2l1，即可判定煤層上方基本頂粗砂巖為關鍵層。

由于工作面采用放頂煤開采方式，結合現場頂板巖層分布情況，在放落工作面頂煤后，直接頂會跟隨發生垮落充填采空區，而基本頂巖層以鉸結巖梁的結構存在，當其發生破斷時，會造成工作面的來壓，由于其厚度較大，其垮落方式呈現分層垮落的情況，易因為工作面來壓步距大，在發生來壓時出現礦壓顯現劇烈的情況。因此有必要對該工作面采場的礦壓顯現特征進行監測，從而在工作面發生來壓時采取有效的措施，對頂板進行管理。

3 工作面礦壓顯現特征分析

3.1 礦壓觀測方法

為了解特厚煤層綜放開采工作面開采過程的礦壓顯現特征，在5300工作面自開切眼開始推進200 m范圍內，采用GPD60型煤礦頂板動態監測系統的綜采支架工作阻力監測子系統，對液壓支架的工作阻力進行監測記錄，從而分析其礦壓規律。

將安裝在液壓支架上的壓力分機所測的壓力值，通過數據線傳輸到地面計算機系統進行數據分析，實現連續不間斷在線監控。在工作面設20個壓力分點，從5號支架開始安設，安設位置分別在5號、10號、15號、20號、25號、30號、35號、40號、55號、60號、65號、70號、85號、90號、94號、99號、102號支架上。另在未安裝自動監測系統的支架上安裝數顯壓力表，對前柱、后柱的阻力變化情況進行監測，保證支架的工作狀況良好。

監測系統采用分析軟件對工作面支架壓力的監測數據進行分析，主要包括工作面支架循環工作阻力和工作面初次來壓、周期來壓步距、強度等，以此確定綜采工作面頂板的活動規律，預測頂板來壓的規律和強度，以便采取合理的推進速度和方式，保證工作面內設備和人員的安全，提高生產效率。

3.2 采場礦壓規律分析

通過對工作面液壓支架工作阻力數據的采集，將采集到的支架工作阻力進行匯總分析，得到工作面液壓支架平均工作阻力與推進距離的關系，如圖2所示。

從圖2可以看出，工作面自開切眼開始正常推進過程中，液壓支架的平均工作阻力分布在5 000～5 700 kN之間，當工作面推進至31.6 m時，液壓支架的工作阻力突然增大，此時平均工作阻力達到7 000 kN左右，在繼續向前推進3～5 m后平均工作阻力明顯降低，恢復至正常推進水平。隨著工作面繼續推進至200 m的范圍，工作面液壓支架平均工作組力共出現過6次明顯增大的情況，其對應的工作面推進距離分別為56.2 m、82.3 m、106.9 m、131.2 m、157.1 m、184.2 m，其持續距離在4～6 m范圍內，液壓支架平均工作阻力分布在6 900～7 500 kN。

圖2 液壓支架平均工作阻力曲線

由此得出，工作面的初次來壓步距約為31.6 m，周期來壓步距平均為25.4 m，工作面正常推進中，液壓支架的平均工作阻力約為5 300 kN，當工作面發生來壓時，液壓支架的平均工作阻力約為7 250 kN，動載系數約為1.39，其來壓強度較大。工作面液壓支架型號為ZF9000/18/35型，其最大工作阻力為9 000 kN，因此工作面發生來壓時未超過液壓支架的承受能力，可滿足工作面的正常推進。

4 結 語

1) 通過對5300工作面頂板巖層的結構分析可知，對工作面礦壓顯現規律起主導作用的主要為基本頂粗砂巖巖層，其為主要關鍵層，在工作面推進過程中呈現鉸結巖梁的結構，當其發生破斷時會造成工作面的劇烈來壓。

2) 通過對工作面液壓支架平均工作阻力的監測得出，工作面的初次來壓步距約為31.6 m，周期來壓步距平均約為25.4 m，當工作面發生來壓時，動載系數約為1.39，工作面發生來壓時強度較大，液壓支架平均工作阻力分布在6 900～7 500 kN，但未超過液壓支架的承受能力。