龐龐塔礦9-700綜放工作面上覆巖層“三帶”發育情況探究

張 飛

（霍州煤電集團有限責任公司團柏煤礦 ，山西 霍州 031414）

1 工程概況

霍州煤電集團公司龐龐塔礦的9-700綜放工作面位于9#煤七采區南翼0#工作面，工作面走向長2394m，傾斜長232m，埋深約為370m，綜放工作面所采煤層厚度為9m～13.55m，平均11.8m，屬于特厚煤層。煤層傾角4°～24°，平均14°，綜合考慮高效、經濟等多方面因素，采用單一走向長壁采煤法，工作面采煤高度為3.2m，放煤高度為8.6m，1：2.69的采放比，滾筒0.8m的截深，及時支護，單輪順序放煤。工作面沿底板推進，不留底煤，以9#煤層第二層夾矸為底頂板。頂底板巖性、厚度等特性見表1。

9-700綜放工作面北邊為回風立井工業廣場保護煤柱和工業廣場，西邊是實體煤，東邊相鄰的是9-702綜放工作面的采空區，南部為村莊保安煤柱。9#與5#煤層層間距約為55m，9-700工作面上部為正在開采的5上-110工作面及5上-112工作面（開采年限1968年-2007年）以及一些原老礦采空區。由于層間距較近，屬于近距離煤層，9-700工作面的頂板不僅受到該工作面的采動影響，同時也經受了5#煤層開采對底板的擾動，故在9-700工作面推進過程中，頂板來壓及液壓支架的荷載很可能出現較大異常，故現在緊密的監測周期來壓的特性和液壓支架的工作情況，來保證開采活動的安全高效的進行。

表1 煤層頂底板特征表

2 礦壓觀測分析

9-700工作面東側為9-702工作面的采空區時，工作面頂板存在有規律的大小周期來壓現象，但是當工作面推進至9-702工作面主輔回撤通道間煤柱時周期來壓步距出現異常，具體表現為大周期來壓步距大約為45m，小周期來壓步距大約為13m，大周期來壓導致40～120號液壓支架安全閥全部開啟，中部液壓支架的工作阻力最大可達11680kN，一些液壓支架的動載系數達到2.0。此外還有沒有規律性的小周期來壓，來壓區域分為工作面上部和下部，來壓時部分支架安全閥連續開啟。隨著工作面的推進至距主輔回撤通道煤柱200 m以內時，大小周期來壓頻率均有一定程度上的增加，具體情況如圖1，圖中綠色代表大周期來壓，紅色表示小周期來壓。來壓期間頂板活動劇烈，液壓支架活柱下縮量達到650mm，支架安全閥的頻繁開啟，給工作面的頂板管理造成很大麻煩。

為了更好的控制9-700工作面的頂板，解決液壓支架安全閥頻繁開啟失效的問題，首先需要解決上覆巖層“三帶”高度的劃分問題，而且“三帶”高度的準確判定是“三下”安全采煤設計、上鄰近層瓦斯抽放技術以及覆巖離層充填技術實施和研究的基礎［1-2］。

圖1 頂板周期來壓示意圖

3 理論計算

目前普遍用于煤層上覆巖層“三帶”高度計算的是《“三下”采煤規程》的經驗公式。但是頂板覆巖為中硬巖層并采用綜放開采時該公式就不適用。9#煤層的平均厚度為11.8m，屬于特厚煤層，并且由9#煤層的頂底板巖性特征表可知煤層的直接頂和老頂分別為泥質灰巖和砂巖，為中硬巖層，故不能采用《“三下”采煤規程》的經驗公式。厚煤層分層開采方法的經驗公式具體計算如下[3]：

破碎冒落帶高度經驗計算公式為：

式中：∑M為煤層總厚，m。

導水裂隙帶高度計算公式為：

將霍州煤電集團公司辛置煤礦范圍內煤層數據分別帶入式（1）、（2）計算可以得知上覆巖層的破碎冒落帶的高度為：13.65～18.01m，裂隙帶的高度為：46.89～58.09m.

現在研究的9-700工作面，屬于特厚煤層綜放工作面，加上5#煤層采動的影響，“三帶”發育的程度明顯比普通分層要大，這時明顯就不能采用特厚煤層分層開采的計算公式，具體計算可以用以下經驗公式來計算覆巖“三帶”的高度。

破碎冒落帶高度計算公式為：

導水裂隙帶高度計算公式為：

將9#煤層的數據帶入式（3）、（4）可以計算得到：9#煤層9-700工作面上覆巖層的冒落高度為42.68～52.10m，導水裂隙帶高度為 106.7～129.68 m。

開采范圍內由裂隙帶頂端至地表所以巖層全部為彎曲下沉帶，彎曲下沉帶高度計算的經驗公式如下：

式中：Hhc為彎曲下沉帶高度；H為工作面所在煤層的平均埋深；Hli為裂隙帶高度；Hm為破碎冒落帶高，單位均為m。

9#上部為5#煤層，層間距為55m左右，并且一些區域已經開采完成，9-700綜放工作面上部為正在開采的5上-110工作面和5上-112工作面（開采年限1968年-2007年）以及一些原老礦采空區，工作面上覆巖層已經不是原始的賦存狀態，因此在計算工作面上覆巖層的三帶高度時這些經驗公式的精確性令人質疑。

4 現場實測覆層裂隙

想要準確獲取9#煤層上覆巖層“三帶”的發育情況，最可靠的方式是采用觀測孔實地測量，現設計采用觀測孔進行測量，觀測孔的位置、長度、傾角等特征如圖2。觀測孔布置在9-700工作的運輸順槽，3個觀測孔傾角分別為40°、45°、50°，長度均為80m，終孔位置距離9#煤層頂板的垂直距離分別為51.42、56.57、61.28m。用CXK6礦用本安型鉆孔成像儀觀測在9-700綜放工作面開采前后巖層的裂隙發展狀況，觀測巖層異常變動的層位，由此得出霍州煤電集團公司辛置煤礦9-700綜放工作面上覆巖層“三帶”的具體發育情況[4]。

圖2 觀測孔布置示意

3個觀測孔超前工作面60m成孔，采前位置指的是當工作面距觀測孔20m以上時觀測裂隙密集區的位置，采后位置指的是工作面推進至距觀測孔距離不足8m時進行觀測。9-700綜放工作面開切眼后工作面每推進1.6m（兩刀）觀測一次數據，穩定后沒10天或者15天測一次數據，得到的數據詳細記錄在冊。觀測得到的各個觀測孔彩前、采后鉆孔內裂隙密集區距離9#煤層頂板的垂直距離匯總詳情見表2。

表2 覆巖裂隙密集區統計情況

通過窺視儀的圖像得知不同鉆孔中裂隙、裂縫密集區位置，然后從橫向和縱向兩個方向來分析上覆巖層的演化規律，從3個窺視孔得到的監測數據可以得知;工作面的開采不僅使裂隙的數量增多，也使裂隙帶的范圍在一定程度增大。

在開采前9#煤層上覆圍巖裂隙密集區大概在42m左右，工作面推進至鉆孔附近時，裂隙密集區發育至48.5m左右，裂隙密集區在各個方向上都形成了大量的裂隙和裂縫，具有完整的裂隙面，可以將其認定為冒落帶的邊界，故開采后冒落帶高度大約為48.5m，此時采用《“三下”采煤規程》中的公式計算出的結果（13.65～18.01m)明顯偏小，用經驗公式計算的結果（42.68～52.10m）就與實際情況特別接近，證明該經驗公式在估算特厚煤層綜放工作面采場“三帶”的發育高度時取得良好的效果。此外，由于9#與5#煤層間距為55m，屬于近距離煤層，冒落帶高度很接近層間巖層的厚度，因此當工作面推進至上部為老礦采空區時，必須密切的關注液壓支架的動向，或者采用安全系數更大的液壓支架，保證工作面的正常生產。

5 結 論

1）通過現場頂板周期來壓狀況的觀測，掌握頂板周期來壓的規律，為開采工藝、設備的優化提供參考依據。

2）理論計算了9-700綜放工作面上覆巖層“三帶”高度的發育情況，并應用現場窺視實地測量了上覆巖層的冒落帶高度，驗證了經驗公式的有效性。

3）9-700綜放工作面，由于上覆巖層的復雜特征，在推進過程中必須適當的增大液壓支架的工作阻力，不能單純的考慮層間巖層的冒落，為進一步解決液壓支架失效的問題指明了方向。