多層采空區(qū)下厚層堅(jiān)硬頂板綜采面礦壓規(guī)律研究
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劉錦榮1，周 玉2，杜曉武2，席朝東2，謝生榮2
（1．大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西大同037003;2．中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京100083）
摘要：為了掌握大同礦區(qū)多采空區(qū)下厚層堅(jiān)硬頂板綜采面開采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，以晉華宮礦11#煤層8707綜采面為研究對象，利用綜采記錄儀數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)監(jiān)測工作面推進(jìn)過程中綜采支架液壓值信息，同時(shí)對綜采面現(xiàn)場片幫、冒頂情況進(jìn)行詳細(xì)觀測。綜合分析現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，得出其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律：①周期來壓步距基本處于18～26m之間，均值為21. 93m；②工作面周期來壓平均動載系數(shù)為1.23，來壓不劇烈；③片深及冒高累積量變化趨勢沿工作面傾向呈“M”型；④支架工作阻力沿工作面傾向大體呈“M”型分布，前柱液壓普遍大于后柱；⑤綜采面采用226000/17/37B型支撐掩護(hù)式液壓支架，基本能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。研究成果對于減少工作面冒漏頂事故，保障安全高效開采具有重要作用。
關(guān)鍵詞：礦壓觀測；數(shù)據(jù)分析；周期來壓；片幫冒頂
中圖分類號：TD323 文章編號：1004-4051(2016)04-0077-05
根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，我國50%以上的礦區(qū)具有堅(jiān)硬頂板煤層賦存，如大同礦區(qū)、山西陽方口礦區(qū)、晉城礦區(qū)等，堅(jiān)硬頂板條件下的煤層開采的礦壓與控制一直是研究熱點(diǎn)。晉華宮礦位于山西省大同市西12. 5km，現(xiàn)階段主要開采區(qū)域涉及煤層為7-3#、7-4#、11#、12#煤，層間距自上至下依次為8. 4m、38. 8m、19. 9m。11#煤層8707綜采面上部為7-3#和7-4#煤層采空區(qū)，7-4#和11#煤層間賦存有一層19m厚的中砂巖。由于11#煤層上部7-3# 煤、7-4#煤采空區(qū)，當(dāng)11#煤層開采時(shí)上覆巖層多次破斷垮落造成頂板應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，同時(shí)頂板巖層受
到上部煤層的采動影響，層間堅(jiān)硬厚層砂巖劣化，基本頂承載能力降低，這均會影響11#煤層的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。論文針對晉華宮特殊地質(zhì)條件，采用工作面綜采記錄儀數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對礦壓顯現(xiàn)規(guī)律監(jiān)測追蹤，并跟隨工作面的推進(jìn)實(shí)時(shí)觀測記錄采煤工作面液壓支架支護(hù)狀態(tài)、周期來壓步距和端面冒頂詳細(xì)數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行分析對比，研究晉華宮礦11#煤8707綜采面采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并為類似條件下綜采面礦壓規(guī)律研究提供借鑒。
1 11#煤層8707綜采工作面概況
晉華宮礦11#煤層8707工作面傾斜長度為15 9m，采用226000／17／37B四柱支撐掩護(hù)式液壓支架。煤層厚度2. 2～3. 5m，平均厚度為3.3m，f=1～2.5，平均傾角為30，屬于近水平煤層。工作面直接頂為厚度較薄的炭泥巖、粗砂巖、細(xì)砂巖和粉砂巖組成，總厚度約為11. 8m，節(jié)理裂隙比較發(fā)育；基本頂為厚度較大約為19. 0m的中細(xì)砂巖、砂巖強(qiáng)度大整體性強(qiáng)，屬堅(jiān)硬頂板。柱狀圖見圖1。
2 采場支架礦壓觀測方案及實(shí)施方法
本研究利用山東省尤洛卡自動化裝備股份有限公司生產(chǎn)的綜采記錄儀數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄晉華宮礦11#煤層8707綜采工作面液壓支架頂板壓力顯現(xiàn)信息，使用數(shù)據(jù)處理軟件Origin9.0重點(diǎn)分析綜采液壓支架原始循環(huán)阻力（末阻力）數(shù)據(jù)，同時(shí)隨工作面推進(jìn)現(xiàn)場采集工作面端面冒漏頂數(shù)據(jù)，來分析工作面周期來壓步距、礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律、端面冒漏頂?shù)染C合礦壓特征。
2.1監(jiān)測站布置
為了使測站的布置具有代表性，能夠反應(yīng)出整個(gè)工作面的情況，礦壓觀測測站的布置應(yīng)保證均勻布置在整個(gè)工作面，在支架處詳細(xì)觀測綜采面支架的工作狀況和礦壓顯現(xiàn)情況。因此，結(jié)合11#煤8707面綜采工作面實(shí)際地質(zhì)賦存和生產(chǎn)狀況，在工作面重點(diǎn)布置6個(gè)監(jiān)測站即6個(gè)分機(jī)，分別設(shè)在17#、28#、39#、50#、69#和88#支架處，見圖2。
2.2礦壓觀測指標(biāo)、儀器及實(shí)施方法
在工作面推進(jìn)過程中，記錄推進(jìn)距離，利用綜采記錄儀及支架上支架液壓信息數(shù)顯表，采集測站處支架液壓及典型來壓區(qū)段整個(gè)工作面液壓信息。觀測內(nèi)容及方法見表1。
3 支架液壓信息特征及端面片冒規(guī)律
3.1 支架液壓值分析
沿工作面傾斜方向8707綜采面共110架支架，自工作面推進(jìn)至174m到推進(jìn)至414m，對8707綜采工作面6個(gè)分機(jī)（監(jiān)測站）液壓信息和端面片幫、冒頂情況進(jìn)行了觀測和詳細(xì)記錄，并根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)繪制隨工作面推進(jìn)各測站礦壓規(guī)律變化的特征曲線，見圖3。
由表2分析可得如下信息。①工作面周期來壓步距最小為14. 21m，最大周期來壓步距為30. 89m，大部分周期來壓步距都處在18～26m之間。老頂周期來壓平均為10.5次，周期來壓步距平均值為21. 93m。②工作面10次周期來壓的平均動載系數(shù)為1. 23，除第一次周期來壓動載系數(shù)達(dá)到1.40，其他各次來壓動載系數(shù)相對均勻穩(wěn)定，這可能與第一次周期來壓時(shí)頂板條件差不利于砌體梁穩(wěn)定有關(guān)，整體來看工作面周期來壓并不強(qiáng)烈。③支架立柱壓強(qiáng)基本在其額定壓強(qiáng)37MPa之下。工作面支架基本處于額定工作阻力狀態(tài)，極少數(shù)支架立柱壓強(qiáng)超出了其額定壓強(qiáng)37MPa，最高達(dá)到40. 9MPa。
由以上結(jié)果可以看出晉華宮11#煤層8707工作面來壓并不劇烈，未出現(xiàn)典型的堅(jiān)硬頂板事故，分析其原因如下：①基本頂受到7-4#煤層的采動影響發(fā)生損傷破壞，有效作用厚度降低，斷裂后形成的關(guān)鍵塊長度變小，且仍能形成穩(wěn)定的“砌體梁”結(jié)構(gòu)；②直接頂厚度較大，一方面減小了關(guān)鍵塊最大回轉(zhuǎn)量，降低了關(guān)鍵塊失穩(wěn)的幾率，另一方面起到“墊層”作用吸收了部分關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)時(shí)的能量，降低了關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)對工作面和支架產(chǎn)生的壓力。
3.2端面片幫冒頂分析
從整體來看，8707綜采面片幫較為常見，冒頂在來壓狀態(tài)下時(shí)有發(fā)生，工作面推進(jìn)過程中礦壓顯現(xiàn)較為平穩(wěn)。在觀測期間，8707綜采面沿傾斜方向片深及冒高總量的變化情況見圖4。
由圖4可知如下信息。①工作面不同區(qū)域的片幫冒頂程度不同，片深及冒高累積量沿工作面傾向呈“M”型變化趨勢，即工作面兩端頭及中間部位片幫冒緩和，而位于上半工作面及下半工作面中部片冒較為嚴(yán)重。②工作面來壓時(shí)，片幫及冒頂一般伴隨產(chǎn)生，且兩者顯現(xiàn)強(qiáng)度相似；工作面片幫較為頻繁，小型冒頂也較為常見，多為局部偽頂軟巖破碎冒漏。從工作面推進(jìn)方向上看，回采工作面各區(qū)域的片幫冒頂?shù)鹊V壓顯現(xiàn)程度和支架液壓值的變化呈正相關(guān)，存在一定的周期性。
3.3工作面支架前后柱液壓信息對比分析
為分析整個(gè)工作面立柱液壓信息，繪制工作面前后柱液壓信息曲線見圖5、圖6，并對比分析，總結(jié)8707綜采面液壓值規(guī)律，為評價(jià)支架 圍巖的適應(yīng)性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
由圖5、圖6可以得出如下信息。①工作面支架前柱液壓值絕大部分處于15～35MPa之間，以20～30MPa區(qū)間最為密集；工作面支架后柱液壓值絕大部分處于10～30MPa之間，以15～25MPa區(qū)間最為密集。②在工作面來壓期間整個(gè)工作面立柱液壓出現(xiàn)持續(xù)偏高，未來壓時(shí)整個(gè)工作面立柱液壓分布普遍較低，且中部液壓分布較上部和下部面廣，來壓時(shí)液壓值出現(xiàn)較高的液壓值的分布范圍較大，而未來壓時(shí)只出現(xiàn)了較為離散的高液壓值，前柱壓力普遍大于后柱。③支架工作阻力沿工作面傾向大體呈“M”型分布，支架工作阻力的峰值出現(xiàn)在工作面上部20～40架和下部70～90架之間，這可能與基本頂受損形成特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)。
4支架適應(yīng)性評價(jià)
晉華宮礦11#煤層8707綜采工作面采用226000／17／37B型四柱支撐掩護(hù)式液壓支架，支架的初撐力為5105kN( 31. 5MPa)，額定工作阻力為6000kN(37MPa)。為研究液壓支架對頂板的適應(yīng)性，需分析整個(gè)工作面液壓支架的工作阻力分布規(guī)律（圖7）。
如圖7所示：支架前柱工作阻力分布在25～37MPa之間的占47. 64%，分布在20～25MPa之間的占17. 56%，低于20MPa的占27. 12%，而超過支架額定工作阻力37MPa的僅占7.68%；支架后柱工作阻力分布在20～37MPa之間的占45. 64%，低于20MPa占48. 68%，而超過支架額定工作阻力37MPa的僅占5.68%。
綜上分析可知：支架前柱實(shí)測工作阻力較大，普遍大于后柱，前后柱均有超過額定工作阻力現(xiàn)象發(fā)生，但頻率較低；現(xiàn)場實(shí)測發(fā)現(xiàn)工作阻力超出額定工作阻力現(xiàn)象主要發(fā)生在來壓期間；存在部分工作面支架初撐力較低現(xiàn)象，分析認(rèn)為是支架液壓系統(tǒng)發(fā)生泄漏引起，整個(gè)工作面支架工作阻力絕大部分都能夠滿足正常要求�？傮w來看，多數(shù)支架發(fā)揮較為充分，稍有富余，工作面現(xiàn)采用的226000／17／37B基本能夠滿足生產(chǎn)需求。考慮到支架在實(shí)際使用過程中由于制造存在缺陷、操作不當(dāng)?shù)仍�，支架很難達(dá)到額定工作阻力，若支架在現(xiàn)場能夠正常使用，則工作面的合理工作阻力即可定為支架的額定工作阻力值，8707合理工作阻力即為6000kN。
5 結(jié) 論
1)晉華官多采空區(qū)堅(jiān)硬厚層頂板工作面10次周期來壓的平均來壓動載系數(shù)為1. 23，來壓不強(qiáng)烈，主要是由于直接頂厚度較大、基本頂損傷且能形成穩(wěn)定砌體梁結(jié)構(gòu)。
2)工作面周期來壓期間由于直接頂節(jié)理裂隙比較發(fā)育，易發(fā)生漏冒頂事故，直接頂穩(wěn)定性成為來壓期間的控制重點(diǎn)，建議在周期來壓期間加強(qiáng)支架液壓故障檢測、及時(shí)移架減小端面距、擦頂帶壓移架等，在遇到地質(zhì)構(gòu)造等圍巖破碎區(qū)還應(yīng)采取鋪設(shè)金屬網(wǎng)、注漿等措施以保證工作面直接頂?shù)姆�(wěn)定性。
3)在整個(gè)觀測期間支架工作阻力主要在10～37MPa之間，偶有安全閥開啟，支架工作阻力有一定的富余，利用相對較為充分，工作面采用226000/17／37B型支撐掩護(hù)式液壓支架滿足開采安全的要求，建議其支架合理工作阻力為6000kN。
