鄧小鵬

(山西能源學院，山西省晉中市，030600)

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大采高工作面覆巖運移規(guī)律及礦壓顯現(xiàn)特征特殊性研究

鄧小鵬

(山西能源學院，山西省晉中市，030600)

針對大采高工作面礦壓控制難題，利用相似模擬材料對覆巖運移過程中礦壓顯現(xiàn)特征特殊性進行研究。試驗結(jié)果表明，大采高工作面初次來壓步距可達到90 m，在開采初期周期來壓步距較穩(wěn)定，強度較小；工作面推進190 m之后，周期來壓步距及強度離散性較大，易發(fā)生強礦壓顯現(xiàn)事故；工作面的超前支承壓力峰值可達到40 kN，與覆巖垮落厚度呈線性正相關關系。

大采高工作面 覆巖運移規(guī)律 礦壓顯現(xiàn)特征 超前支承壓力

相比普通綜放采煤法，大采高綜放采煤法具有煤炭采出率高、巷道布置優(yōu)化和煤炭資源回收率高等優(yōu)勢。但是采高的增大與推進速度的加快都會導致工作面覆巖垮落方式改變、煤壁片幫嚴重和液壓支架不穩(wěn)定等問題，阻礙了大采高開采技術(shù)的發(fā)展。我國學者針對大采高采場圍巖控制理論進行細致的研究，并取得豐碩成果。但覆巖結(jié)構(gòu)變異過程中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、覆巖時空分布規(guī)律及其與小采高情況相比產(chǎn)生的變異性仍然是目前亟待解決的問題。

本文以山西晉城寺河煤礦綜采工作面為工程背景，在結(jié)合相似模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的基礎上，揭示覆巖結(jié)構(gòu)變異過程中礦壓顯現(xiàn)時空分布規(guī)律及其與小采高情況相比的特殊性，指導山西晉城寺河煤礦大采高工作面的安全生產(chǎn)，并為大采高開采技術(shù)推廣和安全保障提供技術(shù)支撐。

1 工程背景

寺河煤礦位于山西省晉城市，主采煤層為2#煤層。傾角小于11.5°，煤層平均厚度為6.2 m，走向長2811 m，傾向長276 m。2#煤層頂板屬于II類頂板，裂隙較發(fā)育。直接頂由泥巖和炭質(zhì)泥巖組成，厚度為6.35 m，水平層理，松軟易破碎?；卷斢芍辛Ｉ皫r和粉砂巖組成，厚度為35.4 m，泥質(zhì)膠結(jié)，巖石堅硬，穩(wěn)定性較好。在進行走向長壁回采過程中，工作面出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)強度大、冒頂、片幫等現(xiàn)象。

2 相似模擬試驗

2.1 模型鋪設

采用外形尺寸為5.0 m×0.2 m×1.5 m的平面應變模型架，確定模擬試驗的幾何相似比例為1∶100，容重相似比為1∶1.61，應力相似比為1∶161，時間相似比為1∶10。模擬材料由煤粉、河砂、石膏、石灰和水組成，經(jīng)計算得到各分層所需要的材料配比見表1。

2.2 監(jiān)測方案

從模型左端30 cm處做切眼，然后一次向右推進，每次開采10 cm，直至推進至距模型右端30 cm處。預計共模擬開采440 m，實際開采430 m。在開采一定距離后通過全站儀對每個點進行觀測，記錄此時監(jiān)測點的位移情況，從而分析巖層運移的規(guī)律。設計模擬ZY10000/28/62D支架，此支架工作阻力為39.8 MPa，初撐力為31.5 MPa，支架上裝有與壓力監(jiān)測儀相連的電纜，可以監(jiān)測開采過程中頂板的來壓情況。在煤層下面鋪裝有壓力盒，從模型左端鋪裝至模型右端，監(jiān)測開采過程中超前支承壓力的變化特征。

表1 相似模擬試驗材料配比表

3 大采高工作面礦壓顯現(xiàn)特征

3.1 頂板運移規(guī)律及支架阻力變化

從模型左端30 cm處切眼推進，工作面向前推進30 m處，直接頂初步垮落，垮落厚度為1 m，此時支架荷載為15 kN。當推進至40 m時，直接頂?shù)诙慰迓洌迓浜穸燃s3 m，采空區(qū)中部老頂15 m處出現(xiàn)離層，此時支架荷載為17 kN。當工作面推至90 m時，支架荷載突然增加至45 kN，老頂出現(xiàn)斷裂，頂板垮落巖層厚度為23 m，垮落長度為90 m，斷裂巖塊平均長度為5～9 m，工作面初次來壓。由此可見，該工作面初次來壓步距遠大于普通綜采工作面，礦壓顯現(xiàn)劇烈。

當工作面推進100～190 m時，基本頂隨著支架的推移呈周期性出現(xiàn)“裂隙-離層-懸空-垮落”的垮落模式。周期來壓步距一般為25 m，來壓期間的支架荷載一般為30 kN，垮落角為60°，移架后上覆頂板垮落高度一般為40～50 m。

工作面推進190 m移架后覆巖移動情況如圖1所示。由圖1可以看出，工作面繼續(xù)推進至190 m時，上覆巖層斷裂并局部垮落。支架斜后方一條傾角為60°的裂縫延伸至地表，引發(fā)地表的流沙層發(fā)生流動，支架荷載增大至48 kN。此時是大采高工作面推進中期，是易發(fā)生強礦壓顯現(xiàn)事故的危險時空點。

圖1 工作面推進190 m移架后覆巖移動情況

工作面推進220 m時，上覆巖層斷裂形成的垮落頂板充填采空區(qū)，在采面附近逐漸形成鉸接巖梁，阻礙了基本頂?shù)恼？迓?。支架后?0 m范圍內(nèi)頂板懸空。工作面推進至230 m時，基本頂突然垮落，此時支架阻力為48 kN，基本頂垮落厚度達到10 m，周期來壓步距為40 m。所以開采至停采線前應當提前做好斷頂工作，減小周期來壓形成的沖擊。工作面推進至350～400 m范圍內(nèi)時，基本頂下沉垮落角變大，周期來壓步距增大至35～40 m。

圖2 開采前后觀測點高程對比圖

開采前后觀測點高程變化如圖2所示。由圖2可知，覆巖下沉量由下位巖層向上位逐漸減小，三帶分布特征較為明顯。靠近地表的36 m粗砂巖最終平均下沉量為0.1 m。距離模型頂部0.3 m～0.55 m的粉砂巖等巖層下沉量逐漸增大，說明粗砂巖為上覆巖層的關鍵層，起到橋式屏蔽作用。一旦此關鍵層斷裂將導致上覆巖層荷載傳遞至支架，加之支架附近斷裂巖層形成鉸接結(jié)構(gòu)，使得來壓步距與強度均明顯增大。所以工作面推進至200 m后，周期來壓步距離散性大，工作面推進至350 m時，基本頂懸頂面積最大，來壓強度最大。

圖3 覆巖運移與支架阻力統(tǒng)計

距離模型頂部0.65 m～0.75 m為基本頂，基本頂?shù)南鲁亮恐饾u減小，說明采空區(qū)內(nèi)碎脹空間較小，下位巖層對于基本頂?shù)闹巫饔妹黠@，采空區(qū)內(nèi)形成較穩(wěn)定的鉸接巖梁結(jié)構(gòu)。

覆巖運移與支架阻力統(tǒng)計如圖3所示。由圖3可以看出，工作面從90 m位置開采至430 m位置共發(fā)生16次周期來壓，初次來壓步距為90 m，周期來壓步距分布在10～40 m范圍內(nèi)，平均為22.67 m。開采至190 m之前周期來壓步距較穩(wěn)定，保持在20 m左右，支架阻力在20～35 kN范圍內(nèi)。開采初期基本頂周期斷裂強度較小，基本頂隨著支架的推移呈現(xiàn)周期性“裂隙-離層-懸空-垮落”的模式。開采至190 m后，周期來壓步距及強度離散性較大，190 m、270 m和350 m等位置的周期來壓步距達到40 m左右，支架阻力維持在40 kN以上。

大采高綜放工作面當滿足式(1)的條件時，距煤層較近的亞關鍵層則會以懸臂梁形態(tài)出現(xiàn)，否則會以砌體梁的結(jié)構(gòu)形態(tài)出現(xiàn)：

(1)

式中：M——煤層采高，m；

K——直接頂垮落的碎脹系數(shù)，取1.3；

∑hi——關鍵層下部直接頂厚度，m；

h——關鍵層厚度，m；

q——關鍵層上方巖體壓力，kPa；

l——關鍵層斷裂步距，m；

σc——關鍵層抗壓強度，取16 MPa。

利用式(1)對該礦的亞關鍵層斷裂形式進行判斷。當l小于28.9 m時，亞關鍵層為砌體梁的結(jié)構(gòu)形態(tài)出現(xiàn)，當l大于28.9 m時，亞關鍵層為懸臂梁的結(jié)構(gòu)形態(tài)出現(xiàn)。所以當工作面推進至190 m和270 m時，亞關鍵層斷裂部分呈“懸臂梁”特征，對支架形成的沖擊較大，支架阻力增加明顯。加之開采后期的上覆巖層“橋式屏蔽作用”減小，遠端頂板部分荷載傳遞至支架，導致來壓強度增大。

開采后期周期來壓步距離散性較大的主要因素在于靠近煤層的亞關鍵層“懸臂梁-砌體梁”形式交替斷裂，而且上覆巖層垮落導致巖塊面積增大，在支架附近斷裂巖層形成鉸接結(jié)構(gòu)。鉸接結(jié)構(gòu)失穩(wěn)與碎脹系數(shù)不斷變化阻礙了頂板斷裂、下沉。

3.2 超前支承壓力變化

對大采高工作面開采中期(190 m)進行超前支承壓力測試，得到超前支承壓力曲線如圖4所示。由圖4可知，大采高工作面煤體超前支承壓力峰值點到煤壁距離一般為10 m左右，超前影響范圍為40 m，集中應力區(qū)為25 m，峰值在25～40 kN，在此區(qū)域內(nèi)極有可能出現(xiàn)頂板大面積切落導致的強礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。

圖4 超前支承壓力分布曲線

將支承壓力峰值與覆巖垮落厚度進行對比可知，超前支承壓力峰值與覆巖垮落厚度基本呈線性關系。所以在生產(chǎn)時期，應注意初次來壓、周期來壓等頂板運移頻繁時段，至少對工作面前方50 m范圍內(nèi)的超前單體液壓支柱測力計變化進行監(jiān)測，及時做好礦壓防治與加強支護工作。

4 現(xiàn)場監(jiān)測

在工作面下巷超前100 m范圍內(nèi)每隔10 m進行超前單體液壓支柱壓力監(jiān)測。采區(qū)兩平巷超前單體支柱壓力監(jiān)測曲線如圖5所示。

圖5 采區(qū)上下兩巷超前單體支柱壓力監(jiān)測曲線

由圖5可以看出，上、下巷超前壓力峰值位于20～25 m范圍內(nèi)，超前影響范圍在40～50 m范圍內(nèi)，與相似材料模擬試驗結(jié)果基本一致。超前支承壓力峰值距離工作面煤壁較遠，有利于對工作面前方煤體應力的控制。

5 結(jié)論

本文通過對山西晉城寺河綜采工作面進行相似模擬試驗，得出其覆巖運移規(guī)律與礦壓顯現(xiàn)特征的特殊性有以下幾個方面：

(1)大采高工作面的初次來壓步距與礦壓顯現(xiàn)強度遠大于普通綜采工作面。根據(jù)相似模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)山西晉城寺河綜采工作面初次來壓步距為90 m。

(2)大采高工作面開采初期的周期來壓步距與后期不同。在開采初期周期來壓步距較穩(wěn)定，保持在20 m左右，支架阻力在20～35 kN范圍內(nèi)。工作面推進190 m之后，周期來壓步距及強度離散性較大。在190 m、270 m和350 m等位置的基本頂懸頂面積較大。

(3)大采高工作面開采后期的周期來壓強度比初期大。由于在190 m、270 m和350 m等位置亞關鍵層為懸臂梁的結(jié)構(gòu)形態(tài)出現(xiàn)，所以來壓期間頂板斷裂對支架形成的沖擊較大，支架阻力增加明顯。

(4)大采高工作面的超前支承壓力峰值距煤壁距離較遠，峰值相對較高。大采高工作面煤體超前支承壓力峰值點到煤壁距離一般為10 m左右，超前影響范圍為40 m，集中應力區(qū)為25 m，峰值在25～40 kN。

(5)大采高工作面超前支承壓力峰值與覆巖垮落厚度呈線性正相關關系。在生產(chǎn)運營時期應注意頂板運移劇烈時期超前工作面50 m范圍內(nèi)的礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)。

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(責任編輯 陶 賽)

Study on overlying strata movement rules and special features of mining pressure at working face with large mining height

Deng Xiaopeng

(Shanxi Institute of Energy, Jinzhong, Shanxi 030600, China)

Aiming at mining pressure control problem of working face with large mining height, similarity simulation experiment was conducted to figure out the specific features of mining pressure during overlying strata movement. The results showed that the roof weighting step of working face was 90 m, the periodic weighting distance was stable, and weighting intensity was low. Once face advanced 190 m, the discreteness of periodic weighting distance and intensity were high, which may cause strong weighing accident. The peak value of abutment pressure could reach 40 kN and had linear relationship with strata failure height.

working face with large mining height, overlying strata movement rules, mine pressure feature, abutment pressure

鄧小鵬. 大采高工作面覆巖運移規(guī)律及礦壓顯現(xiàn)特征特殊性研究 [J]. 中國煤炭，2017，43(3)：66-69，73. Deng Xiaopeng. Study on overlying strata movement rules and special features of mining pressure at working face with large mining height [J]. China Coal，2017，43(3)：66-69，73.

TD355

A

鄧小鵬(1977)，江西奉新人，碩士，高級工程師，主要從事工程地質(zhì)和礦壓控制的研究。