神達棲鳳煤業綜放面頂板運動特征與采場礦壓規律分析

王瑞杰

(山西忻州神達棲鳳煤業有限公司，山西 寧武 036700)

在我國煤炭資源賦存中，厚煤層及特厚煤層煤炭資源占40%以上，隨著地質條件較好的煤炭資源逐步開采殆盡，厚煤層煤炭開采逐漸走進大眾視野。目前常見的厚煤層開采方法有分層開采和放頂煤開采，其中放頂煤開采具有開采成本低、產能效率高等優點[1-3]。在綜放開采過程中，由于一次性采出空間較大，其頂板活動規律與采場礦壓顯現規律相對復雜，尤其當其傾角較大時更為復雜，工作面頂板的穩定控制直接關系到回采工作的正常進行[4-5]。為此，本文以棲鳳煤業51408工作面為工程背景，通過理論計算得到工作面直接頂和基本頂初次來壓、周期來壓步距及所需的支架控制強度，基于此進行支架選型，同時在工作面回采期間監測支架受力情況，從而揭示綜放面采場礦壓規律，為工作面布置和回采速度設計提供一定的指導。

1 工程概況

棲鳳煤業514采區51408工作面埋深257～283 m，位于井田西南部，工作面開采5號煤層，工作面計劃采用走向長壁整層放頂煤采煤法，設計走向長度758 m，傾向長度120 m，煤層厚度12.44～18.00 m，平均值為15.22 m，平均傾角21°。該煤層含夾石1～3層，夾石厚0.15～0.60 m，一般小于0.50 m，屬結構簡單-中等，為特厚煤層，屬穩定可采煤層。工作面偽頂為泥巖、砂質泥巖，厚度0～0.65 m，平均0.25 m，巖性為灰色、灰黑色，質軟，屬軟弱-半堅硬巖石；工作面直接頂為砂巖、泥巖，厚度1.03～5.02 m，平均2.15 m，巖性為深灰-灰黑色，含植物化石，質較軟，屬軟弱-半堅硬巖石；工作面基本頂為中細粒、中粗粒砂巖，厚度7.45～16.27 m，平均11.7 m，巖性為灰白色，質硬，裂隙發育，成分主要以石英為主，屬半堅硬-堅硬巖石。

2 綜放面頂板運動特征與支架選型

2.1 工作面頂板來壓步距計算

2.1.1 直接頂來壓步距計算

1) 直接頂初次來壓步距為：

(1)

式中:L1表示直接頂初次來壓步距，h1為直接頂平均厚度，取2.15 m；σt為直接頂巖石的抗拉強度極限，取2.70 MPa；q為直接頂巖層單位長度的重量及其載荷，直接頂容重取2 500 kg/m3，計算得到：

2) 直接頂周期來壓步距為：

(2)

計算得到：L2=8.8 m。

2.1.2 基本頂來壓步距計算

1) 基本頂初次來壓步距為：

(3)

式中，L3表示直接頂初次來壓步距，h3為基本頂平均厚度，取11.7 m；σt為基本頂巖石的抗拉強度極限，取2.70 MPa；q為直接頂巖層單位長度的重量及其載荷，直接頂巖層容重取2 500 kg/m3，計算得到：

2) 基本頂周期來壓步距為：

(4)

計算得到：L4=20.5 m。

2.1.3 工作面頂板來壓步距預計

根據5號煤層已接近采完的51406工作面礦壓觀測資料，以及工作面頂板初次及周期來壓情況，51406工作面直接頂隨采隨落，工作面老頂周期來壓明顯。通過計算并結合51406頂板運動控制情況，預計51408工作面直接頂初次垮落步距為22 m，周期來壓步距為8～10 m；老頂初次來壓步距為50 m；老頂周期來壓步距為21 m。

2.2 液壓支架強度的計算與選型

根據頂板壓力經驗計算公式

P1=NHFR

(5)

式中:P1為頂板壓力，N為壓力系數，一般6～8，這里取8；H為工作面采高，取2.7 m；F為單架支架承載面積，取6.75 m2；R為頂板巖石平均容重，取2 500 kg/m3。則P1=8×2.7×6.75×2.5=366 t/架。

綜上所述，確定采用ZF5500/18/29型液壓支架，其額定工作阻力換算為P額=561 t/架>P1，滿足要求，具體支架支護參數見表1所示。

表1 ZF5500/18/29型液壓支架支護參數

3 現場礦壓規律分析

棲鳳煤業51408綜放面開采時，工作面頂板管理方式采取全部跨落法，工作面中部配置73組ZF5500/18/29支撐掩護式放頂煤液壓支架，兩端頭配置7組ZFG6000/19/30H型四柱支撐掩護式低位放頂煤過渡支架，全面共80組支架(從下向上依次編號)，對工作面頂板采取全面支護管理。回采過程中，采用重慶煤科院研發的KJ693頂板動態監測系統監測了支架受力情況，表2和圖1、2給出了工作面上部、中部、下部各5架支架礦壓結果匯總數據和統計圖。

圖1 工作來壓強度統計

表2 礦壓觀測結果匯總

1) 工作面上部礦壓監測結果：初次來壓步距在51.12～55.97 m范圍內，平均步距53.50 m；初次來壓強度在25.94～27.83 MPa范圍內，平均強度26.69 MPa；周期來壓步距在22.09～26.46 m范圍內，平均步距24.57 m；周期來壓強度在23.40～25.12 MPa范圍內，平均強度24.08 MPa。

2) 工作面中部礦壓監測結果：初次來壓步距在45.23～48.52 m范圍內，平均步距47.05 m；初次來壓強度在27.16～29.41 MPa范圍內，平均強度28.23 MPa；周期來壓步距在16.80～19.90 m范圍內，平均步距18.69 m；周期來壓強度在24.98～26.93 MPa范圍內，平均強度25.90 MPa。

3) 工作面下部礦壓監測結果：初次來壓步距在48.69～51.10 m范圍內，平均步距49.96 m；初次來壓強度在27.80～30.13 MPa范圍內，平均強度29.12 MPa；周期來壓步距在20.09～24.45 m范圍內，平均步距22.44 m；周期來壓強度在25.86～29.28 MPa范圍內，平均強度27.02 MPa。

綜上所述，現場礦壓規律與理論計算結果基本吻合，表明了理論計算的合理性和可靠性。同時，現場實測發現，工作面下部礦壓顯現相對嚴重，其初次和周期來壓強度最大，動載系數最大，而工作面中部頂板巖層提前破斷，來壓步距較小。

圖2 工作來壓步距統計

4 結 語

綜放開采一次性采出空間較大，其頂板活動規律與采場礦壓顯現規律相對復雜，理論計算了棲鳳煤業51408工作面直接頂和基本頂初次來壓、周期來壓步距及所需的支架強度，現場實測了支架受力情況，結果顯示，煤層傾角導致工作面下部礦壓顯現相對嚴重，其初次和周期來壓強度最大，動載系數最大，而工作面跨度較大導致工作面中部頂板巖層提前破斷，來壓步距較小。