崔世榮

(山西呂梁中陽付家焉煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033000)

隨著采煤技術(shù)及機(jī)械設(shè)備的發(fā)展，針對厚煤層開采礦壓顯現(xiàn)特征及其圍巖控制技術(shù)的研究受到廣泛重視，特別是當(dāng)煤層頂板堅硬不易垮落時，隨著工作面的推進(jìn)，工作面上覆巖層形成大面積懸頂，致使頂板垮落給工作面帶來強(qiáng)烈的礦壓[1-4]。本文以某煤礦15201大采高工作面為背景，分析其回采過程中的覆巖移動規(guī)律和礦山壓力顯現(xiàn)特征，并根據(jù)現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)情況，提出科學(xué)的頂板管控技術(shù)，保證了工作面的安全回采。

1 工程概況

山西某礦位于山西省呂梁市，設(shè)計產(chǎn)量300萬t/a，礦井主要開采15號煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，平均厚度4.3 m，平均傾角6°。15201大采高工作面位于15號煤，工作面傾斜長度208 m，共配置117臺液壓支架，推進(jìn)長度為1 689 m，煤層均厚4.3 m，屬于典型的大采高工作面，煤層結(jié)構(gòu)簡單，為全區(qū)穩(wěn)定可采。煤層直接頂為泥巖，平均厚度5.8 m，基本頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度17.9 m，直接底為泥巖，平均厚度2.8 m。

2 工作面覆巖移動特征分析

為了直觀了解工作面回采期間的覆巖移動規(guī)律，決定采用相似模擬實驗進(jìn)行研究，結(jié)合15201工作面工程地質(zhì)實際，建立頂板結(jié)構(gòu)模型，模型幾何相似比為1∶300，模型長度3.5 m，寬度為2.5 m，高2.0 m，見圖1。為詳細(xì)觀測采場上覆巖層移動及破壞情況，在模型剖面及層面位置布設(shè)位移傳感器。模型設(shè)置從切眼處向前推進(jìn)，每次推進(jìn)4 cm，相當(dāng)于實際推進(jìn)12 m。研究將裂隙發(fā)展邊界與煤層水平夾角稱為垮落角。

圖1 相似模型

2.1 模擬結(jié)果

根據(jù)上述構(gòu)建的結(jié)構(gòu)模型，模擬工作面實際推進(jìn)過程中，頂板結(jié)構(gòu)變化及垮落角的變化。模擬結(jié)果顯示：

1) 當(dāng)工作面推進(jìn)14 cm時，工作面直接頂開始出現(xiàn)裂隙，隨工作面繼續(xù)推進(jìn)不斷向四周擴(kuò)展，并逐漸開始垮落。

2) 當(dāng)工作面推進(jìn)到28 cm時，直接頂全部垮落完畢，基本頂開采出現(xiàn)裂隙，直接頂垮落帶高度為4.67 cm，垮落角為49.1°。

3) 當(dāng)工作面推進(jìn)到36 cm時，基本頂出現(xiàn)周期性斷裂，垮落角為52.8°。

4) 當(dāng)工作面推進(jìn)40 cm時，基本頂上覆巖層出現(xiàn)裂隙并逐漸擴(kuò)展。

5) 當(dāng)工作面推進(jìn)到48 cm時，基本頂上覆巖層產(chǎn)生離層現(xiàn)象，最大離層量為3 mm，垮落角約為58.9°。

6) 當(dāng)工作面推進(jìn)到75 cm時，隨著基本頂上覆巖層裂隙繼續(xù)向上擴(kuò)散，最終形成穩(wěn)定的拱形結(jié)構(gòu)，此時垮落角約為61.6°。

7) 當(dāng)工作面推進(jìn)到94 cm時，基本頂周期性裂斷，垮落角度約為64.1°。

隨著工作面的推進(jìn)，整個上覆巖層的破壞范圍逐漸增加，在上表面形成了顯著斷裂線，見圖2。根據(jù)相似模擬實驗結(jié)果，隨著工作面的推進(jìn)，覆巖裂隙不斷擴(kuò)展、延伸，直至垮落，離層長度和高度也隨之增加。上覆巖層間的離層從直接頂向上順次發(fā)展，離層的位置主要出現(xiàn)在一些厚硬巖層的底部。

圖2 表面斷裂線發(fā)育情況

2.2 垮落角變化趨勢

垮落角的變化趨勢，見圖3。隨著工作面的不斷推進(jìn)，垮落角整體表現(xiàn)為增加，變化過程主要分為快速增加階段與緩慢增加階段。

圖3 垮落角隨回采工作面推進(jìn)變化情況

1) 隨著工作面的推進(jìn)，直接頂暴露寬度超過其臨界垮落跨度后，頂板巖層開始斷裂及垮落，這時垮落角顯著增加。

2) 當(dāng)垮落發(fā)展到堅硬巖層底部時，覆巖離層破壞終止，這時在覆巖上方形成一個穩(wěn)定平衡拱限制了垮落的發(fā)展，垮落角基本保持微小的變化，這時處于緩慢增加階段。

3) 當(dāng)頂部堅硬巖層垮落后，平衡拱遭受破壞，此時垮落繼續(xù)向上發(fā)展。

由此可見，工作面上覆堅硬巖體不能及時發(fā)生破壞，隨工作面推進(jìn)頂板懸頂面積不斷增加，突然斷裂會使工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈。

3 工作面礦壓特征

現(xiàn)場對15201工作面進(jìn)行礦壓監(jiān)測，在工作面液壓支架上安設(shè)ZYDC-3型支架壓力自測儀，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將生產(chǎn)過程中支架工作阻力和立柱下縮量實時上傳。結(jié)果顯示，工作面初采期間，當(dāng)工作面推進(jìn)到41.5 m時，工作面直接頂垮落，直至45 m時直接頂全部垮落完畢；當(dāng)工作面推進(jìn)到63.6 m時，局部支架出現(xiàn)增阻，煤壁開始發(fā)生片幫，個別安全閥開啟，隨著生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行，增阻范圍不斷擴(kuò)大，安全閥開啟范圍擴(kuò)大，局部支架立柱出現(xiàn)了明顯的下縮現(xiàn)象，一直持續(xù)到70.3 m時，工作面狀態(tài)恢復(fù)正常。因此，確定工作面初次來壓布局為70.3 m。整個來壓期間，工作面支架載荷變化較大，最大卸載載荷達(dá)到了18.25 MPa，支架立柱最大下縮量達(dá)270 mm。整個礦壓監(jiān)測期間，工作面共計來壓12次，基本頂來壓周期為12～22 m，平均為18.9 m，現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度較強(qiáng)，周期來壓期間支架立柱均出現(xiàn)了100～200 mm的下縮。

根據(jù)現(xiàn)場礦壓監(jiān)測結(jié)果，15201工作面初次來壓步距長，強(qiáng)度劇烈，來壓期間會出現(xiàn)壓力短時間能急增到最大值，之后出現(xiàn)一定的反彈。究其原因是由于基本頂堅硬懸頂面積較長，突然發(fā)生斷裂會對工作面短時間內(nèi)形成動載載荷，造成工作面支架快速卸載后恢復(fù)到正常狀態(tài)。

4 頂板控制技術(shù)

根據(jù)工作面覆巖移動規(guī)律及礦壓監(jiān)測結(jié)果，為了應(yīng)對15號煤層剩余工作面初采期間強(qiáng)礦壓現(xiàn)象，決定對其他工作面在初采期間實施高壓水預(yù)裂，提前破壞頂板的完整性，縮小來壓步距，降低礦壓強(qiáng)度。15202工作面位于15號煤層，與15201工作面相鄰，采場條件與15201工作面相似。15202工作面頂板高壓水預(yù)裂布置，見圖4，在工作面切眼兩幫共布置11個高壓水預(yù)裂孔，孔由巷道頂板中部向兩幫布置，其中朝向非回采幫布置6個孔，孔深15.5 m，間距20 m，傾角45°，朝向回采幫布置5個孔，孔深11 m，間距20 m，傾角45°。為了防止兩端頭三角區(qū)頂板垮落不充分，分別在兩端頭各布置2組高壓水預(yù)裂孔，孔深15.5 m，傾角80°。

圖4 高壓水預(yù)裂孔布置示意

該技術(shù)實施后，15202工作面初次來壓步距為58.2 m，相對15201工作面縮短了12.1 m，來壓期間立柱最大下縮量為120 mm，來壓期間短時間壓力增加幅度有所緩解，整體礦壓顯現(xiàn)較之前有大幅度的緩和，因此高壓水預(yù)裂頂板實現(xiàn)了對大采高堅硬頂板圍巖的有效控制。

5 結(jié) 語

1) 根據(jù)相似模擬結(jié)果，隨工作面的推進(jìn)，覆巖裂隙不斷擴(kuò)展、延伸，直至垮落，離層長度和高度也隨之增加。上覆巖層間的離層從直接頂向上順次發(fā)展，離層的位置主要出現(xiàn)在一些厚硬巖層的底部?？迓浣钦w表現(xiàn)為增加，變化過程主要分為快速增加階段與緩慢增加階段。

2) 根據(jù)現(xiàn)場礦壓監(jiān)測結(jié)果，15201工作面初采來壓步距長，強(qiáng)度劇烈，由于堅硬頂板的存在，在來壓瞬間會出現(xiàn)壓力急速增長后恢復(fù)正常增阻的狀態(tài)。

3) 15202工作面初采期間采用高壓水預(yù)裂頂板技術(shù)，使得初次來壓步距減小了12.1 m，立柱下縮量減小了150 mm，且整體礦壓顯現(xiàn)較之前有大幅度的緩和，表明高壓水預(yù)裂技術(shù)可實現(xiàn)頂板圍巖有效控制。