(神東煤炭集團(tuán)公司 哈拉溝煤礦，陜西 神木 719315)

重復(fù)采動(dòng)下7m大采高綜采面支架載荷及來(lái)壓規(guī)律研究

溫慶華

(神東煤炭集團(tuán)公司哈拉溝煤礦，陜西神木719315)

基于補(bǔ)連塔煤礦22303工作面礦壓實(shí)測(cè)結(jié)果，掌握了重復(fù)采動(dòng)下7m支架綜采面旺采區(qū)、傾向煤柱區(qū)、走向煤柱區(qū)和長(zhǎng)壁采空區(qū)下開采礦壓規(guī)律，并從覆巖結(jié)構(gòu)變化和底板破壞的角度對(duì)不同區(qū)域下開采礦壓差異機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：旺采區(qū)、傾向煤柱區(qū)和走向煤柱區(qū)下開采工作面周期來(lái)壓步距明顯大于長(zhǎng)壁采空區(qū)下開采，而動(dòng)載系數(shù)明顯小于長(zhǎng)壁采空區(qū)下開采。上煤層關(guān)鍵層是否有良好的承載作用和上煤層開采支承壓力對(duì)底板的破壞是造成下煤層開采工作面周期來(lái)壓步距差異的主要原因，而上煤層關(guān)鍵層是否有良好的承載作用是動(dòng)載系數(shù)差異的主要原因。工作面來(lái)壓期間支架最大載荷為16367kN，說明16800kN的支架工作阻力能夠很好地滿足頂板控制條件。研究結(jié)果對(duì)神東礦區(qū)今后生產(chǎn)實(shí)踐有重要的指導(dǎo)意義。

重復(fù)采動(dòng)；7m支架綜采面；礦壓規(guī)律；覆巖結(jié)構(gòu)；關(guān)鍵層

Underground Pressure Rule of Full-mechanized Mining with 7mHeight Powered Support Influenced by Repetitive Mining

對(duì)于近距離煤層開采，上煤層開采后形成的不同覆巖結(jié)構(gòu)將對(duì)下煤層開采產(chǎn)生不同程度的影響。根據(jù)上煤層開采技術(shù)手段和煤柱留設(shè)情況，上煤層開采后主要形成：旺采區(qū)、煤柱區(qū)和長(zhǎng)壁采空區(qū)(以下簡(jiǎn)稱采空區(qū))，而各區(qū)域?qū)ο旅簩娱_采產(chǎn)生影響，導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)的差異性。近年來(lái)，由于許多礦區(qū)近距離煤層的不斷開采，對(duì)旺采區(qū)、煤柱區(qū)和采空區(qū)下開采問題的研究越來(lái)越多。其中，綜采面煤柱下和旺采區(qū)下開采主要圍繞過上覆煤柱時(shí)工作面礦壓規(guī)律、頂板控制和上覆遺留煤柱的穩(wěn)定性等展開[1-7]；綜采面采空區(qū)下開采主要對(duì)工作面礦壓規(guī)律和采空區(qū)下破碎頂板狀況開采技術(shù)及災(zāi)害防治進(jìn)行研究[8-14]。文獻(xiàn)[15]分析了補(bǔ)連塔煤礦走向煤柱對(duì)近距離煤層6.3m大采高綜采面礦壓的影響規(guī)律。

補(bǔ)連塔煤礦22303工作面為7m支架特大采高工作面，該條件下旺采區(qū)、煤柱區(qū)和采空區(qū)下開采工作面礦壓規(guī)律尚未研究，而且在神東礦區(qū)后期生產(chǎn)中，類似條件的礦井也會(huì)布置7m支架特大采高工作面，因此該條件下工作面礦壓規(guī)律研究對(duì)后期7m支架特大采高工作面生產(chǎn)有重要的指導(dǎo)意義。

1 工作面開采條件

補(bǔ)連塔井田2-2煤三盤區(qū)位于井田西南區(qū)域，地面標(biāo)高1203～1245m，地表起伏不大，中部較高，全部被風(fēng)積沙所覆蓋，松散層厚5～20m。盤區(qū)內(nèi)22303工作面長(zhǎng)301m，走向長(zhǎng)度為4966m，煤層厚度穩(wěn)定，平均厚度7.55m，設(shè)計(jì)采高6.8m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傾角1～3°，與上煤層1-2煤間距為32～44.4m。煤層直接頂以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，厚度為0.96～4.2m；基本頂以粉砂巖、中砂巖為主，部分地段為粗砂巖，厚度為25.8～34.7m；底板在最初回采的400～800m內(nèi)為泥巖、粉砂巖，以后均為砂質(zhì)泥巖。22303工作面覆巖柱狀及關(guān)鍵層判別結(jié)果如表1所示。

22303工作面作為世界首例7m支架特大采高工作面，采用鄭煤ZY16800/32/70型液壓支架，額定工作阻力68000kN，支架中心距2.05m；采用JOY公司7LS7-629型采煤機(jī)，滾筒直徑3450mm，最大牽引力1042kN；采用DBT公司3×1000kW型刮板輸送機(jī)等配套設(shè)備。由于1-2煤層采用了多種開采方式，使得22303工作面位于4個(gè)不同區(qū)域下方，從開切眼沿工作面推進(jìn)方向依次為：旺格維利采煤法殘留煤柱區(qū)(以下簡(jiǎn)稱旺采區(qū))，傾向煤柱區(qū)，31304長(zhǎng)壁工作面采空區(qū)和走向煤柱區(qū)。旺采區(qū)對(duì)應(yīng)推進(jìn)距為0～1020m，其中初采階段采高較小，平均5.7m，直至470～1020m段采高為6.53m；傾向煤柱區(qū)對(duì)應(yīng)推進(jìn)距為1020～1120m，采高為6.52m；推進(jìn)距為1226～1563m對(duì)應(yīng)采空區(qū)和走向煤柱區(qū)，采高為6.57m。22303工作面不同區(qū)域位置如圖1所示。

表1 22303工作面覆巖柱狀及關(guān)鍵層判別結(jié)果

圖1 22303工作面不同區(qū)域位置

2 不同區(qū)域下開采工作面礦壓規(guī)律

與2-2煤的間距為32～44.4m的1-2煤已經(jīng)回采完畢，上煤層長(zhǎng)壁開采對(duì)下煤層開采頂板造成一定的破壞，而且上煤層旺采區(qū)煤柱、傾向煤柱和走向煤柱形成的集中應(yīng)力勢(shì)必對(duì)下煤層22303工作面的回采有影響，煤柱穩(wěn)定性將直接影響2-2煤的開采與其上覆巖層移動(dòng)破壞情況。工作面推進(jìn)過程中，在22303工作面每個(gè)支架上均安裝PM3數(shù)字壓力記錄儀、立柱壓力計(jì)測(cè)量支架實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)。

通過對(duì)旺采區(qū)、傾向煤柱區(qū)、采空區(qū)和走向煤柱區(qū)下工作面支架工作阻力變化曲線進(jìn)行分析，整理支架壓力數(shù)據(jù)，匯總工作面的來(lái)壓特征進(jìn)行分析。

2.1 旺采區(qū)下開采工作面來(lái)壓特征

由于工作面開采初期工作面采高普遍較小，平均僅為5.7m，不能反映7m支架開采時(shí)工作面的礦壓特征，選取推進(jìn)距為862～1020m段的礦壓曲線分析旺采區(qū)下開采工作面來(lái)壓特征。為消除邊界效應(yīng)，選取工作面中部60，70，80，90號(hào)支架礦壓曲線進(jìn)行分析，得出旺采區(qū)下開采工作面來(lái)壓特征，見表2。

表2 旺采區(qū)下開采工作面來(lái)壓特征

旺采區(qū)下開采工作面來(lái)壓呈現(xiàn)明顯的區(qū)域性，兩端1～25號(hào)及140～152號(hào)支架基本無(wú)來(lái)壓，中部來(lái)壓顯著。工作面周期來(lái)壓步距整體呈現(xiàn)“中間小，兩端大”的特征，且以80號(hào)支架為中心呈現(xiàn)一定的對(duì)稱性。工作面來(lái)壓步距平均16.3m；動(dòng)載系數(shù)平均1.38；來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度平均3.0m。來(lái)壓最大支架載荷為16131kN，由此可見，該區(qū)域下開采，支架16800kN的額定工作阻力可以滿足要求。支架載荷分布情況如圖2所示。

圖2 旺采區(qū)下開采工作面支架載荷分布

2.2 傾向煤柱區(qū)下開采工作面來(lái)壓特征

傾向煤柱區(qū)對(duì)應(yīng)推進(jìn)距為1020～1120m，煤柱寬度為100m。選取該區(qū)段對(duì)應(yīng)工作面中部60，70，80，90號(hào)支架礦壓曲線進(jìn)行分析，得出傾向煤柱區(qū)下開采工作面來(lái)壓特征，見表3。

傾向煤柱區(qū)下開采工作面來(lái)壓呈現(xiàn)明顯的區(qū)域性，兩端1～20號(hào)及135～152號(hào)支架基本無(wú)來(lái)壓，其他區(qū)域呈現(xiàn)分段來(lái)壓特征。工作面兩端和中部支架周期來(lái)壓步距呈現(xiàn)明顯的不同，而且中部周期來(lái)壓步距稍大于兩端。工作面來(lái)壓步距平均14.2m；動(dòng)載系數(shù)平均1.38；來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度平均4.1m。來(lái)壓最大支架載荷為15955kN，支架載荷分布情況如圖3所示。工作面過煤柱期間，來(lái)壓時(shí)支架安全閥開啟率普遍不高，處于7%～20%之間，這說明本支架完全能滿足22303工作面過煤柱時(shí)頂板控制的要求。

表3 傾向煤柱區(qū)下開采工作面來(lái)壓特征

圖3 傾向煤柱區(qū)下開采工作面支架載荷分布

工作面在煤柱正下方回采時(shí)礦壓顯現(xiàn)正常，但當(dāng)工作面處于出煤柱階段時(shí)，工作面及回風(fēng)巷呈現(xiàn)出了強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)。工作面主要表現(xiàn)出煤壁片幫劇烈和端面漏頂嚴(yán)重，而回風(fēng)巷則是巷道變形破壞大，頂板下沉、局部冒頂，巷幫鼓起、片幫嚴(yán)重。出煤柱階段，工作面煤壁片幫、端面漏頂和冒頂現(xiàn)象嚴(yán)重，22～50號(hào)支架煤壁片幫深度達(dá)1m；51～62號(hào)架端面漏頂現(xiàn)象嚴(yán)重，57，58號(hào)架間端面漏頂矸石堆積高度達(dá)3.5m；61，62號(hào)架間端面漏頂矸石堆積高度達(dá)4m；107，108號(hào)支架端面冒頂嚴(yán)重，冒落矸石堆積高度達(dá)5m?；仫L(fēng)巷端頭巷道破壞變形較大，工作面?zhèn)认飵驮诰嗟装?m范圍內(nèi)大量片幫，片幫深度0.8m左右，錨桿被拉斷，托盤被崩出；片幫范圍在距工作面端頭33m左右范圍內(nèi)。工作面推進(jìn)過程中回風(fēng)巷端頭頂板破碎，曾出現(xiàn)過局部冒頂，冒頂高度達(dá)1.1m，頂板累計(jì)下沉量達(dá)160mm。

2.3 采空區(qū)、走向煤柱區(qū)下開采工作面來(lái)壓特征

由于上煤層開采時(shí)工作面區(qū)段煤柱的留設(shè)，從出傾向煤柱區(qū)到回撤階段，22303工作面上方一直存在1條20m寬的走向煤柱，其位置對(duì)應(yīng)工作面113～124號(hào)支架。分析礦壓特征選取采空區(qū)下50號(hào)、60號(hào)、70號(hào)和90號(hào)支架，走向煤柱下115號(hào)和120號(hào)支架。分析得出采空區(qū)、走向煤柱下開采工作面來(lái)壓特征見表4。

表4 采空區(qū)、走向煤柱區(qū)下開采工作面來(lái)壓特征

采空區(qū)下除兩端未來(lái)壓，其他區(qū)域來(lái)壓步距基本相同，來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度呈“中間大、兩端小”的分布，這是由于工作面中部覆巖回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)比兩端更充分所導(dǎo)致。采空區(qū)下開采工作面周期來(lái)壓步距平均13.05m；動(dòng)載系數(shù)平均1.43；來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度平均4.1m。來(lái)壓最大支架載荷為16426kN，支架載荷分布情況如圖4所示。

圖4 采空區(qū)下開采工作面支架載荷分布

走向煤柱區(qū)下開采，工作面來(lái)壓步距平均15m；動(dòng)載系數(shù)1.41；來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度平均2.6m。來(lái)壓最大支架載荷為16131kN，支架載荷分布情況如圖5所示。上覆走向煤柱區(qū)下工作面來(lái)壓步距明顯大于采空區(qū)下，而來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度和動(dòng)載系數(shù)小于采空區(qū)下。

圖5 走向煤柱區(qū)下開采工作面支架載荷分布

2.4 不同區(qū)域下開采工作面來(lái)壓特征對(duì)比

通過對(duì)7m支架特大采高工作面不同區(qū)域下開采礦壓曲線進(jìn)行分析，總結(jié)了對(duì)應(yīng)的工作面來(lái)壓特征。對(duì)不同區(qū)域下開采工作面來(lái)壓特征進(jìn)行分析，見表5。

表5 不同區(qū)域下開采工作面來(lái)壓特征對(duì)比

由表5可知，各區(qū)域下開采工作面采高均約為6.55m，可認(rèn)為在同一采高條件下開采，因此不考慮采高變化對(duì)來(lái)壓特征的影響。旺采區(qū)、傾向和走向煤柱區(qū)下開采工作面來(lái)壓步距明顯大于采空區(qū)下開采，而動(dòng)載系數(shù)明顯小于采空區(qū)下開采。旺采區(qū)、走向煤柱區(qū)下開采工作面來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度明顯小于采空區(qū)下開采，而對(duì)于傾向煤柱區(qū)下開采，由于出煤柱期間工作面來(lái)壓強(qiáng)烈，來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度較大，導(dǎo)致傾向煤柱區(qū)下開采整體來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度增大。由圖2～圖5各區(qū)域下開采工作面支架載荷分布圖可知，采空區(qū)下開采工作面來(lái)壓時(shí)支架載荷大于15800kN的占88.54%，大于15900kN的占50%。而各煤柱區(qū)下開采時(shí)，工作面來(lái)壓支架載荷大于15800kN的占比低于55%；大于15900kN的低于21%。因此，采空區(qū)下開采來(lái)壓期間支架載荷明顯大于各煤柱區(qū)下開采。非來(lái)壓時(shí)支架載荷主要分布在11000～12000kN(其中采空區(qū)下開采時(shí)占75%，煤柱區(qū)下開采時(shí)占77%～95%)，因此采空區(qū)下開采非來(lái)壓期間支架載荷略小于各煤柱區(qū)下開采。各區(qū)域下開采來(lái)壓期間支架最大載荷為16367kN，未超過支架的額定工作阻力(16800kN)，這也說明了本工作面支架工作阻力是合理的，能很好地滿足頂板的控制條件。

3 不同區(qū)域下開采礦壓差異機(jī)理分析

由于上煤層開采留設(shè)煤柱及采動(dòng)影響情況不同，導(dǎo)致在不同區(qū)域下煤層開采對(duì)應(yīng)的上覆巖層結(jié)構(gòu)不同，各區(qū)域呈現(xiàn)不同的礦壓顯現(xiàn)特征。其中最明顯的是周期來(lái)壓步距和動(dòng)載系數(shù)，進(jìn)入采空區(qū)下時(shí)工作面來(lái)壓步距明顯減小，而動(dòng)載系數(shù)明顯增大。

由表1所示22303工作面覆巖柱狀及關(guān)鍵層判別結(jié)果，1-2煤上部有3層關(guān)鍵層，而在1-2煤與2-2煤之間僅有1層關(guān)鍵層。1-2煤開采后，長(zhǎng)壁采空區(qū)上方距離其7m覆巖中15.28m的亞關(guān)鍵層發(fā)生破斷，失去良好的承載作用，垮落帶和裂縫帶巖層載荷作用于2-2煤的基本頂，由于1-2煤采高較大，采后作用在2-2煤基本頂?shù)妮d荷較大。同時(shí)，由于1-2煤開采后在底板形成一定的支承壓力，受采動(dòng)支承壓力的影響，其底板破壞達(dá)到一定的深度，根據(jù)公式(1)計(jì)算底板破壞深度。通過計(jì)算得，1-2煤開采對(duì)其底板破壞深度達(dá)到17m，已經(jīng)對(duì)下方距離其5.92m的11.46m亞關(guān)鍵層造成了破壞。對(duì)于各煤柱區(qū)域，1-2煤上方15.28m的亞關(guān)鍵層未受到采動(dòng)破壞，能很好地發(fā)揮支撐作用，其上部覆巖載荷并不能完全向下傳遞，使作用在2-2煤基本頂上的載荷減小。同時(shí)，兩煤層之間關(guān)鍵層未受采動(dòng)影響而發(fā)生破壞。

式中，h1為底板最大破壞深度，m；xa為煤層屈服區(qū)長(zhǎng)度，m；φ0為底板巖體內(nèi)摩擦角，(°)。

對(duì)于采空區(qū)下開采，由于1-2煤采后作用在2-2煤基本頂?shù)妮d荷較大，而且層間關(guān)鍵層受到1-2煤開采發(fā)生破壞，導(dǎo)致2-2煤基本頂(層間關(guān)鍵層)極限破斷步距減小，因此采空區(qū)下開采來(lái)壓步距比各煤柱區(qū)下開采小。

由實(shí)測(cè)分析知，采空區(qū)下開采動(dòng)載系數(shù)大于各煤柱區(qū)域下開采。而根據(jù)前面支架來(lái)壓與非來(lái)壓期間載荷分布情況分析，來(lái)壓期間支架載荷是導(dǎo)致不同區(qū)域下開采動(dòng)載系數(shù)變化的主要因素。下面對(duì)采空區(qū)和各煤柱區(qū)域下開采支架載荷進(jìn)行分析，進(jìn)而分析動(dòng)載系數(shù)變化的原因。

根據(jù)表1所示22303工作面覆巖柱狀及關(guān)鍵層判別結(jié)果，1-2煤與2-2煤之間11.46m關(guān)鍵層作為2-2煤開采時(shí)的基本頂，其破斷回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直接導(dǎo)致工作面來(lái)壓。在非來(lái)壓期間，工作面開采時(shí)支架載荷大小主要受基本頂下方直接頂巖層垮落高度的影響。2-2煤與其基本頂距離17m，直接頂厚度為采高的(6.55m)2.6倍，直接頂巖層隨采隨冒，因此非來(lái)壓期間支架載荷為直接頂作用的載荷。因此，非來(lái)壓期間采空區(qū)和各煤柱區(qū)下開采載荷大小基本一致。由前面分析知，1-2煤開采后，采空區(qū)上方距離其7m覆巖中15.28m的亞關(guān)鍵層發(fā)生破斷，失去良好的承載作用，作用于2-2煤的基本頂?shù)妮d荷較大。因此采空區(qū)下開采來(lái)壓期間支架載荷大于各煤柱區(qū)下開采。則采空區(qū)下開采動(dòng)載系數(shù)大于各煤柱區(qū)下開采。由于不同區(qū)域下開采對(duì)應(yīng)的上覆巖層結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致動(dòng)載系數(shù)的不同。

4 結(jié)論

(1)總結(jié)了不同區(qū)域下開采來(lái)壓特征：旺采煤柱區(qū)、傾向和走向煤柱區(qū)下開采工作面來(lái)壓步距明顯大于采空區(qū)下開采，而動(dòng)載系數(shù)明顯小于采空區(qū)下開采。旺采煤柱區(qū)、走向煤柱區(qū)下開采工作面來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度明顯小于采空區(qū)下開采，而對(duì)于傾向煤柱區(qū)下開采，由于出煤柱期間工作面來(lái)壓強(qiáng)烈，來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度較大，導(dǎo)致傾向煤柱區(qū)下開采整體來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度增大。

(2)載荷分布對(duì)比分析表明：采空區(qū)下開采來(lái)壓期間支架載荷明顯大于各煤柱區(qū)域下開采，而非來(lái)壓期間支架載荷略小于各煤柱區(qū)域下開采，來(lái)壓期間支架載荷是導(dǎo)致不同區(qū)域下開采動(dòng)載系數(shù)變化的主要因素。

(3)分析了采空區(qū)和各煤柱區(qū)域下開采來(lái)壓步距和動(dòng)載系數(shù)差異的機(jī)理，下煤層開采時(shí)上煤層關(guān)鍵層是否有良好的承載作用和上煤層開采支承壓力對(duì)底板的破壞是造成工作面周期來(lái)壓步距差異的主要原因；而下煤層開采時(shí)上煤層關(guān)鍵層是否有良好的承載作用是動(dòng)載系數(shù)差異的主要原因。

(4)7m支架特大采高工作面上覆巖層垮落高度增大導(dǎo)致支架載荷增大，來(lái)壓期間支架最大載荷為16367kN，未超過支架的額定工作阻力16800kN，這也說明了本工作面支架工作阻力是合理的，能很好地滿足頂板的控制條件。

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[責(zé)任編輯：潘俊鋒]

2014-03-11

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.025

溫慶華(1972-)，男，廣東陽(yáng)春人，高級(jí)工程師，現(xiàn)任哈拉溝煤礦副礦長(zhǎng)。

溫慶華.重復(fù)采動(dòng)下7m大采高綜采面支架載荷及來(lái)壓規(guī)律研究[J].煤礦開采，2014，19(6)：93-97.

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1006-6225(2014)06-0093-05