厚松散层浅埋煤层矿压规律实测分析

２０１１年２月矿业安全与环保第３８卷第１期厚松散层浅埋煤层矿压规律实测分析张杰１，刘增平２，赵兵朝１，余学义１，张俭让１（１．西安科技大学能源学院，陕西西安７１００５４；２．陕北矿业公司韩家湾煤矿，陕西榆林７１９３１５）摘要：对神府韩家湾煤矿２３０３综采工作面进行了矿压观测，实测了支架活柱下缩量、工作面顶板移近量、顶板来压强度以及巷道变形破坏参数，总结了厚松散层覆盖层浅埋煤层综采工作面的矿压显现规律。观测结果表明，老顶来压强度不高，支架能平衡顶板压力，满足工作面正常开采时对支护阻力的要求。针对目前顶板的支护状况和顶板灾变危险，提出了提高支架初撑力等改善措施，研究成果对指导厚松散层覆盖浅埋煤层综采工作面安全开采具有指导作用。关键词：厚松散层；浅埋煤层；综采工作面；矿压规律中图分类号：ＴＤ３２文献标志码：Ｂ文章编号：１００８—４４９５（２０１１）０ｌ一００１３—０４厚度变化规律明显，总体上属大部分可采煤层，矿区内煤层厚度变化不大。埋藏深度一般为８０—９０由于观测区松散层覆盖较厚，煤层埋深一般在１３０ＩＴＩ，神府矿区浅埋煤层开采实践表明，在浅埋深、薄基岩、厚松散层下开采，保证安全、高产、高效的采煤方法是综合机械化采煤法，而且支架必须有较高的工作阻力，才能有效控制厚松散层作用下基岩沿煤壁切落…。但这必须是建立在综合机械化设备选择合理并保证良好的运行状况基础上的，否则既不能实现高产高效，更不能保证生产安全，特别是液压支架的良好运行¨ｏ。韩家湾煤矿属于典型的浅埋煤层，该矿煤层赋存条件、采高、井型以及投资等方面与邻近神东公司的煤矿有较大差异，如果不加研究而盲目地套用神东公司一些矿井综采工作面的矿压规律，可能存在严重的影响矿井安全生产的隐患，甚至导致安全事故发生，从而造成巨大的经济损失＂Ｊ。因此，只有对该矿综采工作面上覆岩层移动和破坏规律及其与采场矿山压力分布规律的关系进行系统的研究，才能制订保障矿井安全高效的综采工作面生产管理方法和技术措施。１ｍ左右。顶板为以石英、长石为主的细粒砂岩，岩层水平及波状层理发育，其厚度约６～７ｍ；直接顶上部为厚约１４ｍ的中粒砂岩。２ｑ煤的底板为灰色的砂质泥岩，水平及波状层含植物碎片化石。工作面支架长度２０６．５ｍ，端头选用３架ＺＹＴ８８００／２３／４７型端头支架，采用１１１架ＺＹ８８００／２３／４７型支架支护工作面顶板。支架额定工作阻力８８００ｋＮ；额定初撑力６４１３ｋＮ。工作面回风巷和进风巷断面均为矩形，支护形式为锚杆支护ＭＪ，设计断面积为１７．５ｍ２，宽度５Ｉｎ，高度３．５ｎｌ。２工作面矿压显现规律实测分析２．１工作面推进过程中的矿压显现２００８年１１月２５日，矿压观测仪器在综采工作面安装调试完毕正式开始连续观测记录，开始观测时，２３０３工作面距原切眼煤壁达１３ｍ，至２００８年１２月２３日观测结束，历时近１个多月，直到工作面推进到１５０ｉｎ。在观测期间，除了偶尔出现监测线路故障外，其他时间基本实现了支架阻力每５ｍｉｎ工作面概况及观测设计韩家湾煤矿２３０３工作面位于三盘区，盘区长２．７８ｋｍ，宽１．１ｋｍ，面积３．２９ｋｍ２。盘区内２。２煤层平均厚度４．５ｍ，煤质较硬，顶底板较稳定，煤层１个数据的连续监测。工作面自回采以来，开始仅有部分顶煤和直接顶垮落。矿压观测数据显示，后来工收稿日期：２０１０—０１—１６；２０１０—１０—１８修订基金项目：国家自然科学基金项目（５００７４０２３）；陕西省教育厅专项科研计划项目（０９ＪＫ５９９）；西安科技大学博士启动金项目（２００８０１）作者简介：张杰（１９７８一），男，四川达县人，博士，主要从事浅埋煤层研究和教学工作。作面采空区内１５。ｑ３。液压支架内的直接顶开始垮落，截至１１月２９日，采空区垮落长度占工作面倾斜长的２／３以上，垮落形状大体呈圆弧型。垮落厚度中间厚，机头机尾较薄，垮落岩层已基本充填满采空区垮落空间，确定为直接顶初次垮落阶段。直接顶・１３・万方数据２０１１年２月矿业安全与环保第３８卷第１期初次垮落步距为２０．３ｍ。巷道监测表明，１２月２日锚杆托锚力最大达到１５２ｋＮ，此时工作面的推进距离为３４ｍ左右，工作面支架压力在这一时期也已经有明显变化；１２月３日距离工作面６ｍ的离层数据显示达到最大２３．４ｍｍ，这些都说明工作面来压前已经有一定的征兆；１２月４日工作面推进到３８ｍ，工作面支架阻力普遍增加（初次来压），综合考虑支架压力和巷道观测的结果，确定工作面初次来压步距为３８Ｉｌｌ。老顶初次来压步距不大，顶板运动不剧烈，对工作面生产不会造成严重的影响，同时从一个侧面说明采空区垮落的直接顶充填效果较好，工作面的支架受力不大。２．２工作面支架阻力对工作面每推进循环的数据进行处理，可得到各观测支架的工作阻力随工作面推进距离的变化规律。绘制的老顶周期来压判据如图１所示ＭＪ。根据观测结果并结合周期来压判据可知，在整个观测期间，直接顶初次垮落步距为２０．３ｍ，老顶初次垮落步距为３８ｎｌ左右，初次来压后共出现９次周期来压现象，其周期来压步距最大１１ｍ，最小８ｍ。图１老顶周期来压判据２．３支架运行特性在老顶初次来压之前，各测点大部分支架都在额定初撑力（２５ＭＰａ）之下工作，老顶初次破断之前顶板运动不明显，顶板运动对支架阻力的影响较小。在初次来压之后，一般在周期来压期间支架阻力变化明显。观测表明２１’、３９。、４５。、５７。支架左右柱存在较大偏载现象，这说明工作面支架受力左右不均匀，个别支架承载存在严重偏载现象。２３０３工作面老顶来压强度不高，支架能平衡顶板压力，并且有明显的周期来压，顶板控制难度中等∞Ｊ。观测期间对工作面１００架次支架初撑力和工作阻力进行了统计分析，其分布情况见图２＿３。由图２可知，初撑力主要集中在１０～１５ＭＰａ，初撑力小于２０ＭＰａ（额定初撑力的８０％）的占整个统计架次的７５％；达到额定初撑力的只占１３．２％，平均初撑力仅为１４．３ＭＰａ，为额定初撑力的５７．２％。根据神东公司综采工作面实测，进口支架实际平均初撑力与额定初撑力比达９６％以上，国产支架实际平均初撑力与额定・１４・万方数据初撑力比达７９％。２３０３工作面初撑力比进口支架低近３８．８个百分点，比国产支架低２１．８个百分点。４０透３３０５嚼－２５壕２０糖１５奄粤０支架初撑力／ｌＶＩＰａ图２工作面初撑力分布直方图２５＿＋”ｗ蓬２０＿替１５羹１０奄５”。ｌ０翮吐ｂ一Ｌ｝１日：ａ，０－５ｐ１０ｌ舻１５１５－＇２０２（卜２５２弘３０３０ｑ５３５＂－４０４０＂４５支架工作阻力，／ｌＶｌＰａ图３工作面工作阻力分布直方图由图３可知，支架平均工作阻力普遍较低，平均阻力仅为２２．９７ＭＰａ，均低于支架初撑力；工作阻力大于２５ＭＰａ的架次占测试架次的３７％，达到额定工作阻力４３ＭＰａ的只占２．５％；支架工作阻力具有一定富裕。２．４工作面“三量”观测当工作面推进到３８ｍ时，于１２月４日老顶发生初次来压，顶底板移近速度秽。瞬时出现峰值，达到２．６ｍｍ／ｈ，是平时的３．５倍，活柱下缩量最大为４．２ｍｍ，是平时的１．４倍，这是老顶断裂下沉失稳所造成的工作面初次来压，持续时间约ｌｄ。当工作面又向前推进９ｎｌ，即工作面推进到距开切眼４７ｍ时，工作面测站顶底板移近速度也达到峰值，为２．８ｍｍ／ｈ，是平时的２．６倍；活柱下缩量也出现峰值，为６．３ｍｍ，是平时的１．７倍。此状态持续约１ｄ，这是工作面第１次周期来压。在工作面推进过程中顶底板移近量、活柱下缩量与推进距离的关系见图４。童摹制埝堪３２５３７４９６ｌ７３８５９７１０９１２１工作面推进距离／ｍ图４顶板运动与推进距离的关系在第１次周期来压结束后，工作面向前推进了１０ｍ，即工作面距开切眼５７ｒｌｌ时，顶底板移近速度秽。和活柱下缩量｜ｓ。又出现峰值，顶底板移近速度为２０１１年２月矿业安全与环保第３８卷第１期平时的３．２倍，活柱下缩量为平时的１．３倍。这是工作面第２次周期来压，持续时间约３ｄ。在这之后，工作面每推进到一定距离，顶底板移近速度秽。和活柱下缩量Ｓ。又出现一次峰值，即发生相应的周期来压。工作面各测点顶板下沉量及顶底板移近速度特征见表３。表３顶底板移近量及移近速度从表３可以看出，顶底板移近量和移近速度的总的变化趋势为：随着远离煤壁，顶底板移近量呈线性增长，并且各测点顶板平均累计下沉量的离散系数较大，最大达９６％。说明该工作面顶板下沉量不均匀，这也是造成支架承载不均的原因之一。定具有重要价值。整个观测期间，锚杆托锚力绝大部分在１２ｋＮ以下，主要集中在３ｋＮ附近，并且锚杆的托锚力波动不大，其中监测到的最大值是在工作面来压时，为１５２ｋＮ。巷道矿压观测结果显示，工作面采空区上方岩层重量将向采空区周围新的支承点转移，从而在采空区四周形成支承压力带，使得前方支承压力远离工作面煤壁，综合锚杆和超前支护压力的分析，支承压力峰值在煤壁前方３～８ｍ。由此可见，该工作面超前支护压力影响范围较小，这主要是由于煤层硬度较大，覆岩层整体性较好。支承压力值不大，故该矿现有的超前支护距离为２０ｎ，ｌ是可行的，巷道矿压显现比较缓和，现有巷道维护较好一ｊ。超前支护压力分布如图６所示。２１３巷道观测分析３．１巷道围岩变形回风巷内无论是顶底板移近量还是两帮移近量，其大小并不与测站观测的距离长短成正比，在测站Ｉ的观测范围内发生了较剧烈的顶板运动，而此时测站３因距离工作面煤壁较远而几乎未受影响，所以观测距离段最小的测站１的巷道围岩移近量明显大于测站２和测站３。运输巷３个测站的顶底板移近速度和两帮移近速度随工作面推进距离的变化规律表明，无论测站距离工作面煤壁远与近，运输巷表面围岩位移速度变化较小，大多维持在３．０ｍｍ／ｈ以内。巷道在距工作面前方４０ｍ开始收敛，５～１５ｍ及小于５ｍ的２个阶段顶底板移近速度较快，在其他范围内巷道高度变化则较为平缓，巷道累计移近量小，见图５。霎ｉ｜冬９，Ｖ．＼／厂＼一一≈Ⅷｏ—一ｌ＝，＾口一＾／—Ｃ●‘。ｋｏ—６磊：，卢Ｊ一卢ｔ（Ｆ一一＼．．．：—＇～７。一。。、】３１５１７１９ｏ。一１３５９１１测站距煤壁的距离／ｍ图６超前支护压力分布Ｂ：■一“““矽”雄鹰一”市”“４厘——Ｍ％５４顶板分类２３０３工作面直接顶初次垮落步距三。：平均为Ａ＾２９３３３７也Ｋ∑＞～。。。．．２０．３９１３藿／《耐对癸１．……．．．．．．．．一＿＿－＿＿＿。－一－＿－：＾：‘胃》ｉ单｛蕾：．１７２ｌ２５ｍ，属于Ⅲ类稳定顶板（Ｌ。：＞１８ｍ）。主要分类指标还包括强度指标Ｄ，按照组成直接顶岩层中最大的单向抗压强度计算，且岩层节理裂隙间距和分层厚度均较小，所得强度指标Ｄ值小于３０，属于Ｉ类不稳定顶板（Ｄ＜３０）。综合考虑直接顶的多岩层组成，确定２３０３工作面直接顶属Ⅱ类中等稳定顶板，具有周期性破碎性质ＭＪ。老顶初次来压步距Ｃ叻＝３８ｍ，介于２５—４５Ｉｎ；距工作面煤壁距离／ｍ图５巷道顶底板及两帮移近速度与距工作面煤壁距离的关系３．２超前支护压力锚杆对围岩的总体作用规律为长时间在初锚力位置附近徘徊，临近工作面煤壁时托锚力急速上升达到峰值，均存在典型的上升拐点，在距离工作面煤壁平均１３ｎｌ以远，该数据对巷道超前支护参数的确老顶周期来压步距Ｃ到均介于８～１５ｍ；直接顶厚度与采高的关系，即指标Ⅳ：＿Ｄ＇／，Ｚ：了１０：２．５，介于０．３．ｆ／，‘ｔ・１５・万方数据２０１１年２月矿业安全与环保第３８卷第１期（３—５）；老顶为中、细砂岩互层及其上覆的其他岩层组成的砂岩岩组。综上确定２３０３工作面老顶属于Ⅱ级，即周期来压明显，需要进行来压及顶底板情况的预测预报工作，以防止动压冲击和切顶事故的发生。容易。２３０３工作面直接顶属Ⅱ类中等稳定顶板，具有周期性破碎性质。老顶属于Ⅱ级，即周期来压明显，需要进行周期来压及顶底板情况的预测预报工作，以防止动压冲击和切顶事故。参考文献：［１］侯忠杰．地表厚松散层浅埋煤层组合关键层的稳定性分析［Ｊ］．煤炭学报，２０００，２５（２）：１２７—１３１．［２］张杰．南梁厚土层浅埋单体长壁工作面矿压规律实测分析［Ｊ］．湖南科技大学学报，２００７，２２（４）：６—１０．［３］张俭让，余学义，任彦荣．韩家湾煤矿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