淺埋厚煤層綜采強礦壓顯現機理及協同控制

溫大江

（國家能源集團神東煤炭集團有限責任公司哈拉溝煤礦 陜西榆林 719315）

厚煤層儲量和產量占我國煤炭開采的45%，作為主采煤層，其安全高效開采具有重要意義[1]。我國中西部厚煤層開采具有采高大、埋深淺、工作面尺寸大等特點，其覆巖活動規律和采場控制具有特殊性[2]，工作面常會發生支架活柱急劇下縮甚至壓架等動載礦壓災害事故，嚴重威脅煤礦的安全生產[3]。針對淺埋厚煤層開采課題，專家學者進行了廣泛研究，主要集中在開采覆巖裂隙發育和采場應力分布方面[4]。由于一次采出空間大、推進速度快等采場環境，淺埋大采高工作面頂板破斷特征和采場控制需要進一步研究，來提高開采的安全高效。

本文以某礦22520 綜采面為研究對象，針對典型的淺埋厚煤層開采條件，采用現場實測、數值模擬和理論分析方法研究覆巖破斷特征和應力演化，得到該條件下開采采場礦壓顯現規律并提出協同控制措施，為類似條件煤層安全高效開采提供指導。

1 生產概況

該礦22520 綜采面位于22 煤五盤區，走向長度4 001 m，傾向長度為280.8 m。工作面南西為22519綜采面采空區，與采空區間有15 m 的煤柱，北西為井田邊界、北東為備采面22521 綜采面，東南為22 煤中央輔運大巷，工作面與中央輔運大巷間留有128.6 m～304.8 m 煤柱。22 煤層埋深 66 m～149 m，平均厚度5.42 m，煤層傾角1°～3°。基本頂為石英長石，平均厚度12.36 m，灰白色，抗壓強度57.8 MPa；直接頂為粉砂巖，淺灰色，平均厚度0.95 m，抗壓強度33.4 MPa；直接底為泥巖，灰黑色，平均厚度6.6 m。

采用綜采一次采全高采煤法，全部垮落法管理采空區頂板，采高5.3 m，循環進尺0.865 m。工作面選用EKF SL1000/6.3m/6557型采煤機、德國DBT 3×1000的刮板輸送機及配套的525 kW 轉載機、525 kW 破碎機各一臺，配備英國RMI 公司生產的乳化液泵及噴霧泵，乳化液泵為四泵兩箱，功率為4×280 kW，流量為430 L/min；噴霧泵為三泵一箱，功率為3×112 kW，流量為423 L/min。

2 頂板破斷特征和應力演化規律

2.1 淺埋厚煤層開采采場結構特征

選用UDEC 軟件建立淺埋厚煤層開采采場模型，采用Mohr-Coulomb 準則[5]。模型尺寸200 m×50 m，兩邊各留50 m 邊界煤柱，底部及左右兩側為位移邊界，上部施加2.5 MPa均布載荷。

開挖得到不同推進距離處覆巖垮落運移規律，推進15 m、25 m、35 m、45 m時覆巖破斷結構演化圖如圖1所示。

圖1 采場覆巖結構演化

由圖1 可知，由于采高大，采空區不能被有效充填，直接頂和基本頂破斷垮落后出現大幅下沉。當推進15 m 時（圖1a），直接頂出現彎曲下沉但未破斷；工作面推進25 m 時（圖1b），直接頂初次破斷，跨落后充填于采空區內，此時采空區未被充滿。當工作面推進35 m 時（圖1c），基本頂初次破斷垮落，形成砌體梁結構，工作面礦壓顯現劇烈，工作面出現明顯下沉；工作面繼續推進（圖1d），直接頂和基本頂的周期性垮落。

2.2 淺埋厚煤層開采采場應力演化

圖2 工作面超前支承壓力分布圖

工作面超前支承壓力變化見圖2，由圖2 可知，工作面頂板超前支承壓力影響范圍約為45 m～50 m，受支承壓力劇烈影響長度最小距離為4.34 m，最大長度為22.78 m，平均為17 m。工作面回采50 m時，采空區出現高應力值點，當工作面回采時，采空區垮落巖層逐步壓實，工作面上覆巖層壓力逐漸向采空區轉移。

由圖3 分析可知，超前支承壓力峰值隨推進而逐漸增大，超前支承壓力峰值最大為17.50 MPa，最小為10.36 MPa，平均值為14.96 MPa；應力集中系數最大為2.19，最小為1.30，平均值為1.87。

3 支架支護強度驗算

（1）所需支護強度計算（經驗公式）[6]

P=9.8khrkN/m2

式中：P—工作面合理的支護強度，kN/m2；

h—采高為5.3 m；

r—上覆巖層容重平均2.31 t/m3；

k—支護上覆巖層厚度與采高之比，一般為4～8，取7倍計算[6]，則：

P=9.8×7×5.3×2.31=840（kN/m2）=0.84 MPa

（2）所需支護阻力驗算

工作阻力應滿足頂板支護強度要求，即支架工作阻力由支護強度和支護面積所決定[6]。

式中F—支架所需工作阻力；kN

q—工作面最大支護強度，取0.9 MPa；

S—支架的支護面積，m2。

式中L—支架頂梁長度，4.49 m；

C—端面距，0.660 m；

B—截深，0.865 m；

b—支架中心距，1.75 m；

K1—架間距，0.05 m。

F=0.9×6.015×1.8×103=9744.3 kN

選用鄭煤ZY10800/28/63 二柱掩護式液壓支架，配套支架工作阻力分別為10 800 kN，基本滿足要求。

據測22520工作面距切眼213.5 m～1151.7 m區域上覆為12204、12202、12201采空區、空巷及順槽煤柱，上述工作面均采用大采高一次采全高工藝，回采的12煤平均厚度2 m，工作面區段煤柱寬度15 m。上覆采空區與22520工作面層間距21.8 m～28.2 m，影響推進距離938.2 m。過上覆采空區集中煤柱期間可能會出現動載礦壓壓架、涌水增大、氣體異常等隱患，需編制專項安全技術措施，采取協同控制措施。

4 支架適應性的工業性試驗

在22520工作面中部145 m處布置測點，對回采期間礦壓顯現及支架工作狀況進行檢測，得到如圖4所示工作阻力變化。

圖4 支架工作阻力變化

如圖4 所示，在工作面回采140 m 的過程中，工作面共經歷8 次來壓，來壓步距最大為16 m，最小為9.6 m，平均為11.9 m；工作面來壓時的影響范圍為0.8 m～3.2 m，平均影響范圍為2.0 m；工作面平均動載系數為1.29，來壓期間支架最大工作阻力為9 804.88 kN，平均工作阻力為8 341.52 kN，分別占額定工作阻力的90.7%和77.2%，表明來壓期間工作面支架支護能力好，支架工作阻力的富余量較大。

圖5 22520工作面液壓支架的工作特性

對圖5支架工作特性分析，22520工作面液壓支架主要處于增阻和恒阻的狀態，頻率分別為52.42%和20.16%，這表明液壓支架運轉狀態良好，能夠較好的適應淺埋厚煤層地質條件。

5 結論

（1）淺埋厚煤層開采，采空區空間大，超前支承壓力峰值最大為17.5 MPa，應力集中系數最大為2.19，礦壓顯現劇烈。

（2）通過強度驗算，選用ZY10800/28/63 掩護式液壓支架，來壓期間支架最大工作阻力為9 804.88 kN，處于增阻和恒阻的頻率分別為52.42%和20.16%，表明工作面支架支護能力好。

（3）過上覆采空區集中煤柱期間可能出現動載礦壓壓架、涌水增大、氣體異常等隱患，提出協同控制方法，有效控制了頂板。