彭 濤 王慶雄

(中國(guó)神華神東煤炭集團(tuán)公司哈拉溝煤礦，陜西省神木縣，719315)

神東煤炭集團(tuán)哈拉溝煤礦開(kāi)展了12上101綜采工作面450m超長(zhǎng)綜采面開(kāi)采試驗(yàn)。已有研究結(jié)果表明，超長(zhǎng)工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度大于相同采高的一般長(zhǎng)度工作面，即超長(zhǎng)工作面礦壓顯現(xiàn)相對(duì)強(qiáng)烈。本文通過(guò)對(duì)比168m和450m工作面初次來(lái)壓和周期來(lái)壓特征，結(jié)合覆巖結(jié)構(gòu)特征因素，分析長(zhǎng)度變化對(duì)綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響。

1 工作面開(kāi)采條件

12上101工作面位于神東煤炭集團(tuán)哈拉溝煤礦井田12煤層一盤(pán)區(qū)，為12煤層首采工作面。該工作面為刀把子面，其中12上101-1工作面長(zhǎng)168.6m，推進(jìn)長(zhǎng)度246.7m；12上101-2工作面長(zhǎng)450m，推進(jìn)長(zhǎng)度857.5m。煤層平均厚度2.11m，設(shè)計(jì)采高為2.0m，煤層賦存穩(wěn)定，煤層傾角為1°～3°。老頂為細(xì)砂巖，平均厚度2.98m；直接頂為粉砂巖，平均厚度3.79m。12上101-1工作面安設(shè)101架KOPEXS二柱掩護(hù)式液壓支架進(jìn)行頂板支護(hù)；12上101-2工作面安設(shè)238架KOPEXS二柱掩護(hù)式液壓支架，另外還有平頂山煤機(jī)廠生產(chǎn)的24架 ZY9200／12.3／22.3D 液壓支架。工作面巷道布置情況如圖1所示。

圖1 12上101工作面巷道布置圖

2 不同長(zhǎng)度綜采工作面礦壓規(guī)律對(duì)比

12上101工作面開(kāi)采前后期工作面長(zhǎng)度發(fā)生了較大變化，對(duì)礦壓產(chǎn)生一定的影響。因此，需要對(duì)12上101-1和12上101-2兩個(gè)不同長(zhǎng)度工作面 (以下用168m和450m工作面代替表示12上101-1和12上101-2工作面)礦壓規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析研究以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐。為了便于對(duì)比分析不同長(zhǎng)度工作面礦壓規(guī)律，選取工作面中部支架礦壓特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以消除邊界因素對(duì)礦壓特征的影響。

2.1 老頂初次來(lái)壓規(guī)律對(duì)比

168m工作面推進(jìn)至距離開(kāi)切眼39m位置時(shí)，老頂初次來(lái)壓，工作面30?！?0＃支架普遍來(lái)壓，最大支架工作阻力為56.7MPa，平均工作阻力為32.9MPa，達(dá)到35.0MPa以上的占34%。工作面局部片幫明顯，最大片幫厚度達(dá)0.5m。450m工作面推進(jìn)至距離12上101-2工作面開(kāi)切眼41 m位置時(shí)，工作面機(jī)尾段區(qū)域老頂垮落，180?！?30＃支架工作阻力較大，達(dá)到40.0～58.5MPa，220＃支架最大工作阻力達(dá)到58.5MPa。工作面存在明顯的片幫和漏矸現(xiàn)象，并在145?！?80＃支架區(qū)域出現(xiàn)淋水。此次來(lái)壓相對(duì)劇烈，來(lái)壓區(qū)間主要靠近機(jī)尾段，工作面中部100?！?60＃支架來(lái)壓不明顯。當(dāng)繼續(xù)推進(jìn)6m后，工作面60＃～160＃支架區(qū)域有來(lái)壓現(xiàn)象，來(lái)壓期間支架工作阻力最大為46.5MPa， 平 均 31.6MPa。168m 工 作 面 和450m工作面初次來(lái)壓期間礦壓顯現(xiàn)特征見(jiàn)表1。

由表1可知，老頂初次來(lái)壓時(shí)，450m超長(zhǎng)工作面對(duì)應(yīng)的老頂初次來(lái)壓步距、來(lái)壓期間支架工作阻力及動(dòng)載系數(shù)均大于168m工作面，且450m工作面對(duì)應(yīng)老頂初次來(lái)壓步距、來(lái)壓支架工作阻力及動(dòng)載系數(shù)變化幅度明顯大于168m工作面。

表1 不同長(zhǎng)度工作面老頂初次來(lái)壓期間礦壓特征對(duì)比表

2.2 周期來(lái)壓規(guī)律對(duì)比

168m工作面周期來(lái)壓期間，工作面40＃支架以后支架工作阻力普遍大于機(jī)頭段區(qū)域，來(lái)壓期間片幫不明顯，只有局部出現(xiàn)片幫。雖然工作面來(lái)壓相對(duì)不是很強(qiáng)烈，但是由于頂板比較破碎，伴隨來(lái)壓出現(xiàn)頂板離層，不易護(hù)頂，同時(shí)出現(xiàn)淋水，來(lái)壓后采空區(qū)反水，影響正常生產(chǎn)。工作面周期來(lái)壓期間礦壓顯現(xiàn)特征見(jiàn)表2。

通過(guò)礦壓實(shí)測(cè)表明，450m工作面存在大小周期來(lái)壓現(xiàn)象。兩次小周期來(lái)壓后間隔24m左右出現(xiàn)大周期來(lái)壓。當(dāng)工作面小周期來(lái)壓時(shí)，來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度相對(duì)較短，來(lái)壓強(qiáng)度不大，安全閥開(kāi)啟不多，來(lái)壓范圍主要分布在中部70＃～150＃支架區(qū)域；當(dāng)工作面大周期來(lái)壓時(shí)，來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度較大，來(lái)壓強(qiáng)度大、范圍廣，主要集中在50?！?0＃、110?！?40＃和170?！?30＃支架區(qū)域。來(lái)壓期間安全閥開(kāi)啟率較高，支架明顯下沉，前梁挑頂效果差，支架低頭，護(hù)頂困難，煤壁出現(xiàn)片幫，煤壁酥軟，頂板穩(wěn)定差。工作面周期來(lái)壓期間礦壓顯現(xiàn)特征見(jiàn)表2。

由表2可知，周期來(lái)壓期間，450m超長(zhǎng)工作面對(duì)應(yīng)的來(lái)壓步距小于168m工作面，450m工作面對(duì)應(yīng)來(lái)壓期間支架循環(huán)末阻力、動(dòng)載系數(shù)和來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度均大于168m工作面，即450m超長(zhǎng)工作面周期來(lái)壓強(qiáng)度大于168m工作面。

表2 不同長(zhǎng)度工作面周期來(lái)壓期間礦壓特征對(duì)比表

3 不同長(zhǎng)度綜采工作面礦壓顯現(xiàn)差異分析

分析表明，450m超長(zhǎng)工作面對(duì)應(yīng)初次來(lái)壓和周期來(lái)壓強(qiáng)度大于168m工作面。結(jié)合工作面覆巖結(jié)構(gòu)特征和工作面長(zhǎng)度因素，分析不同長(zhǎng)度工作面礦壓特征差異產(chǎn)生的原因。

表3 Q14鉆孔覆巖關(guān)鍵層判別

表4 H65鉆孔覆巖關(guān)鍵層判別

168m工作面內(nèi)Q14鉆孔和450m工作面內(nèi)H65鉆孔對(duì)應(yīng)覆巖結(jié)構(gòu)特征見(jiàn)表3和表4。

3.1 老頂初次來(lái)壓特征差異分析

結(jié)合普氏平衡拱理論分析，老頂初次來(lái)壓時(shí)，由于老頂在工作面走向方向上首次發(fā)生破斷，老頂上覆巖層并未充分垮落，工作面上方平衡拱大小主要取決于老頂覆巖結(jié)構(gòu)特征，即只考慮覆巖結(jié)構(gòu)特征變化對(duì)工作面來(lái)壓顯現(xiàn)強(qiáng)度的影響。

3.1.1 老頂初次來(lái)壓步距計(jì)算

由于12上101工作面是首采工作面，老頂未受到破壞，比較完整，故計(jì)算老頂來(lái)壓步距時(shí)可將老頂看作固定梁，來(lái)壓步距采用下式計(jì)算:

式中:L0——老頂初次來(lái)壓步距，m；

H—— 老頂?shù)暮穸?，m；

σ拉——老頂抗拉強(qiáng)度，MPa；

q—— 單位長(zhǎng)度老頂?shù)妮d荷，kN。

結(jié)合表3和表4可知，168m工作面內(nèi)老頂?shù)暮穸葹?.2m，抗拉強(qiáng)度為3.95MPa，容重為2.3×103kg／m3，單位長(zhǎng)度老頂?shù)妮d荷為3.3×105kN。450m工作面內(nèi)老頂?shù)暮穸葹?.84m，抗拉強(qiáng)度為4.84MPa，容重為2.3×103kg／m3，單位長(zhǎng)度老頂?shù)妮d荷為3.56×105kN。

將兩個(gè)工作面對(duì)應(yīng)的各參數(shù)值代入式 (1)，得出168m工作面老頂初次來(lái)壓步距為40.12m，450m工作面老頂初次來(lái)壓步距為46.11m。顯然，450m工作面對(duì)應(yīng)老頂初次來(lái)壓步距大于168m工作面。

3.1.2 老頂初次來(lái)壓計(jì)算

老頂初次來(lái)壓時(shí)，控制頂板的關(guān)鍵在于當(dāng)靠煤壁處老頂斷裂線(xiàn)剛露出煤壁時(shí)，支架的工作阻力能支撐住垮落帶巖層的重量。這時(shí)需要的支架工作阻力按下式計(jì)算:

式中

:P——支架工作阻力，kN；

Llxc——老頂初次來(lái)壓步距，m，根據(jù)實(shí)測(cè)情況取值；

La——每架支架所控制的工作面長(zhǎng)度，取1.75m／架；

γ——垮落帶直接頂巖層平均體積力，取23000kN／m3；

h——垮落帶直接頂厚度，168m工作面對(duì)應(yīng)值為6.13m，450m工作面對(duì)應(yīng)值為5.8m；

LZ′——直接頂巖梁長(zhǎng)度，取6.14m；

n——垮落帶最上分層數(shù)，取3；

γli——垮落帶中第i分層老頂及其附加巖層的平均體積力，取23000kN／m3；

hli——垮落帶中第i分層老頂及其附加巖層的厚度，168m工作面對(duì)應(yīng)值為8.2m，450m工作面對(duì)應(yīng)值為8.84m；

α——煤層傾角，取3°；

K——安全系數(shù)，取1.1；

——考慮立柱不垂直頂梁以及掩護(hù)梁上有載荷的系數(shù)，支撐式為100%；支掩式為85%～90%；短頂梁掩護(hù)式為60%。

將168m工作面和450m工作面具體支護(hù)參數(shù)值代入式 (2)計(jì)算得出168m工作面初次來(lái)壓期間支護(hù)所需工作阻力為8180kN，450m工作面初次來(lái)壓期間支護(hù)所需工作阻力為9159kN。說(shuō)明初次來(lái)壓期間，450m超長(zhǎng)工作面來(lái)壓強(qiáng)度更加劇烈。同時(shí)，由于非來(lái)壓期間支架工作阻力基本一致，而來(lái)壓期間450m工作面來(lái)壓強(qiáng)度更大，所以對(duì)應(yīng)動(dòng)載系數(shù)也更大。

3.2 老頂周期來(lái)壓特征差異分析

根據(jù)已有研究表明，工作面長(zhǎng)度增加一定程度上會(huì)導(dǎo)致上覆巖層垮落帶高度增加，即周期來(lái)壓期間覆巖結(jié)構(gòu)特征和工作面長(zhǎng)度因素都會(huì)影響來(lái)壓顯現(xiàn)強(qiáng)度。

3.2.1 老頂周期來(lái)壓步距計(jì)算

先分析覆巖結(jié)構(gòu)特征因素對(duì)來(lái)壓顯現(xiàn)強(qiáng)度的影響。老頂周期來(lái)壓期間，來(lái)壓步距計(jì)算:

式 (3)中參數(shù)值同式 (1)，將各參數(shù)值代入式 (3)，得出168m工作面老頂周期來(lái)壓步距為16.38m，450m工作面老頂周期來(lái)壓步距為18.82m。顯然，450m工作面對(duì)應(yīng)老頂周期來(lái)壓步距大于168m工作面。

再分析工作面長(zhǎng)度因素對(duì)老頂周期來(lái)壓特征差異的影響。從覆巖結(jié)構(gòu)特征分析，450m工作面周期來(lái)壓步距大于168m工作面，但是對(duì)于超長(zhǎng)工作面，由于工作面長(zhǎng)度增加，導(dǎo)致推進(jìn)速度的下降，使得老頂有充足的時(shí)間進(jìn)行垮落，從而導(dǎo)致周期來(lái)壓步距的減小。礦壓實(shí)測(cè)結(jié)果表明，450m工作面周期來(lái)壓步距小于168m工作面，礦壓實(shí)測(cè)結(jié)果否定了前面計(jì)算式算出的結(jié)果，因此，長(zhǎng)度因素對(duì)周期來(lái)壓步距影響明顯大于覆巖結(jié)構(gòu)特征的影響 (理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比是為了說(shuō)明長(zhǎng)度因素對(duì)周期來(lái)壓步距的影響大于覆巖結(jié)構(gòu)特征的影響)。

3.2.2 老頂周期來(lái)壓計(jì)算

周期來(lái)壓期間支架所需的工作阻力可根據(jù)式(2)進(jìn)行計(jì)算，非來(lái)壓期間的支架載荷可以根據(jù)覆巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。分析表明，450m工作面來(lái)壓強(qiáng)度大于168m工作面。

按照普式平衡拱理論在一定跨度空間之上 (工作面長(zhǎng)度)的頂板巖層將會(huì)發(fā)生拱形冒落，其高度既與跨度有關(guān)，又與巖石的普式硬度指數(shù)有關(guān)，即:

式中:h——頂板巖層冒落高度，m；

B——工作面長(zhǎng)度，m；

f——頂板巖石的普式硬度指數(shù)，其值約為強(qiáng)度的1／10。

由式 (4)可知，450m工作面頂板冒落高度明顯大于168m工作面，即支護(hù)所需支架工作阻力大于168m工作面。同時(shí)，工作面長(zhǎng)度越長(zhǎng)，壓力拱越大，導(dǎo)致周期來(lái)壓期間支架工作阻力越大，即礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度越大。

4 結(jié)論

(1)老頂初次來(lái)壓時(shí)，450m超長(zhǎng)工作面對(duì)應(yīng)的老頂初次來(lái)壓步距、來(lái)壓期間支架工作阻力及動(dòng)載系數(shù)均大于168m工作面。

(2)周期來(lái)壓期間，450m超長(zhǎng)工作面對(duì)應(yīng)的來(lái)壓步距小于168m工作面， 450m工作面對(duì)應(yīng)來(lái)壓期間支架循環(huán)末阻力、動(dòng)載系數(shù)和來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度均大于168 m工作面，即450m超長(zhǎng)工作面周期來(lái)壓強(qiáng)度大于168m工作面。

(3)對(duì)不同長(zhǎng)度綜采面礦壓顯現(xiàn)差異進(jìn)行分析表明，老頂初次來(lái)壓時(shí)，只考慮覆巖結(jié)構(gòu)特征變化對(duì)工作面來(lái)壓顯現(xiàn)強(qiáng)度的影響；老頂周期來(lái)壓時(shí)，覆巖結(jié)構(gòu)特征和工作面長(zhǎng)度因素都會(huì)影響來(lái)壓顯現(xiàn)強(qiáng)度，且長(zhǎng)度因素對(duì)周期來(lái)壓步距影響明顯大于覆巖結(jié)構(gòu)特征的影響。

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