沈明柱

(同煤大唐塔山煤礦有限公司)

塔山特厚復(fù)雜煤層綜放開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

沈明柱①

(同煤大唐塔山煤礦有限公司)

通過理論分析及現(xiàn)場實測,研究塔山8102綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。結(jié)果表明:初采階段垮落頂煤可以充滿采空區(qū);正常放煤階段,頂板不會形成懸頂結(jié)構(gòu),高位巖層可以形成一種類似鉸接梁的平衡結(jié)構(gòu),但對支架危害不大;頂煤、直接頂與老頂?shù)某醮慰迓洳骄喾謩e為12 m、35 m和50 m。

特厚煤層;綜放開采;現(xiàn)場實測;礦壓顯現(xiàn)規(guī)律;研究

1 工作面煤層賦存及開采情況

1)煤層賦存情況。塔山井田現(xiàn)開采的石炭系太原組3#～5#煤層,埋深300～500 m,與侏羅系煤層間距約200 m。上部侏羅系煤層大部分采空。3#～5#煤層厚度較大,沉積環(huán)境不穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,分岔合并現(xiàn)象頻繁。煤層由6～35(一般10～15)個分層組成,含矸率2%～33%,平均16%。夾矸累厚0.15～1.4 m,單層最厚0.6 m,一般由高嶺巖、高嶺質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖組成。煤層節(jié)理較為發(fā)育,硬度中等以上。

2)煤層頂?shù)装鍡l件。塔山井田石炭系太原組厚度86～95.86 m,一般厚度88.67 m,巖石組成包括砂巖、砂礫巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、高嶺質(zhì)泥巖和煌斑巖。

3)工作面開采情況。塔山煤礦從2006年7月 19日開始試生產(chǎn),首采面為8102工作面。8102工作面是大同煤業(yè)集團(tuán)公司由侏羅紀(jì)向石炭紀(jì)煤系過渡的特厚煤層開采的第一個工作面,采用一次采全高低位放頂煤開采方法。工作面長度為230.5 m,走向長度為1 531 m,工作面地質(zhì)儲量8 819 178.7 t。2006年2月15日首采面8102工作面圈出,4月5日礦井進(jìn)入停產(chǎn)準(zhǔn)備,6月6日首采面帶煤試運(yùn)轉(zhuǎn),7月28日批復(fù)礦井聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)報告,截至2007年7月19日工作面全部停采結(jié)束,生產(chǎn)煤量為7 608 595.3 t,工作面回采率達(dá)到84.7%。

2 塔山礦綜放開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

1)開采前的礦壓顯現(xiàn)預(yù)測。初采期間:按采放厚度15～20 m、工作面回收率85%、巖石(煤)冒落碎漲系數(shù)為1.3計算,頂煤不放。則初采時充滿采空區(qū)需冒落高度為[1]:h初=3.5×1/(1.3-1)=11.7 m。而頂煤的厚度為11.5～16.5 m,滿足采空后的充填高度,形不成冒落空洞。

正常開采:推采10～15 m后進(jìn)行正常放煤,頂煤回收率按75%計算,充填采空區(qū)需冒落的高度為: h墊=h×1/(1.3-1)=50～66.7 m。依據(jù)首采工作面的3個地質(zhì)鉆孔資料,煤層上部30 m范圍內(nèi)的頂板巖性為泥巖、高嶺巖、炭質(zhì)泥巖、煤、粉砂巖、中砂巖互層,抗壓強(qiáng)度為29～67 MPa,一般在40～60 MPa,屬中硬頂板,巖層分層厚度30 m以下0.2～2.0 m,30 m以上的分層厚度為4.0～6.0 m,最厚為14 m,巖層節(jié)理中等發(fā)育,發(fā)育有內(nèi)生裂隙,節(jié)理面充填有方解石脈,結(jié)構(gòu)疏松,性脆易碎。煤層節(jié)理間距在15～25 cm,主節(jié)理間距1.0～1.2 m,節(jié)理傾角55°,屬破碎煤層,其冒落性較好,正常開采期間不存在懸頂結(jié)構(gòu)。

通過上述分析認(rèn)為,塔山首采工作面的頂煤及頂板是可以自然垮落的,雖然上覆巖層局部分層厚度較大,但距離煤層層位較高,下部垮落后能夠形成基本墊層,高位的巖層可以形成一種類似鉸接梁的平衡結(jié)構(gòu),對支架危害性不大。

2)開采時的礦壓顯現(xiàn)情況。8102工作面從2006年7月開始生產(chǎn),截至2007年7月19日工作面停采,共計推進(jìn)1 280 m,共計來壓79次來壓,37次其中頂煤初次、直接頂初次垮落、老頂?shù)某醮慰迓浜?6次老頂巖梁周期折斷。8102工作面初采期當(dāng)工作面推進(jìn)到平均11 m左右時,中部50#～60#架后方頂煤開始垮落,初次垮落高度為2.0 m左右;隨之工作面的推進(jìn),頂煤的垮落范圍逐漸擴(kuò)展到45#～67#架,垮落高度為5～6 m;工作面推進(jìn)到平均15 m時,頂煤的垮落范圍擴(kuò)展到32#～82#架,垮落高度估計達(dá)到10 m左右;當(dāng)工作面平均推到21.75 m時,頂煤基本全部垮落。工作面頂板初次來壓距離為34～36 m,周期來壓步距工作面正常推進(jìn)時為16～ 18 m;推進(jìn)不正常、速度緩慢時,周期來壓步距縮短,為10～14 m。由于工作面傾斜長度大,頂煤厚度大因此每次來壓時工作面壓力較大達(dá)到10 000 kN以上,由于工作面傾斜長度較大中部壓力顯現(xiàn)比較明顯。

通過分析,頂煤的初次垮落步距為12 m;直接頂初次垮落為35 m;老頂初次折斷距離為50 m。8102工作面來壓對工作面的明顯影響主要是機(jī)道裂開、漏頂,支架被壓死,支柱損壞共計98根。8102工作面來壓情況見表1。

表1 8102工作面來壓情況

3)8102工作面地面鉆孔電視觀測情況。為了更進(jìn)一步的掌握工作面頂板活動情況,8102工作面進(jìn)行了地面電視鉆孔觀測,地面鉆孔于2006年7月中旬完成施工,從9月下旬正式開始進(jìn)行觀測。鉆孔參數(shù):距工作面切眼260 m,觀測孔徑91 mm,鉆孔終孔深度495.03 m,位于3#～5#煤層底板,見3#～5#煤層頂板位置為444 m,煤層厚度22 m。

觀測的初步分析結(jié)果:鉆孔超前工作面煤壁21.5 m時,頂板上方4～9 m開始產(chǎn)生豎向裂隙,表明在超前壓力作用下,頂板已經(jīng)開始被破壞;超前15 m時,頂板上方30 m內(nèi)產(chǎn)生水平和豎向裂隙,并發(fā)現(xiàn)鉆孔有進(jìn)風(fēng)現(xiàn)象,說明裂隙發(fā)展增大,與工作面采空區(qū)溝通;超前5 m時,頂板產(chǎn)生水平錯動,高度達(dá)到45 m左右;接近工作面位置時,頂板產(chǎn)生離層錯動,且有折斷現(xiàn)象;當(dāng)工作面采過鉆孔2 m時,頂板上方40 m處鉆孔破壞;12.5 m時,頂板上方56 m破壞;19 m時,頂板上方62 m破壞;27.5 m時,頂板上方77 m破壞;61.5 m時,頂板上方151.5 m破壞。當(dāng)工作面已經(jīng)推過鉆孔127 m后,在頂板上方210 m和209 m之間仍存在約0.7 m的空洞,直到開采至203 m時,在頂板上方274 m處空洞才減小為0.1 m,212 m后消失;現(xiàn)鉆孔破壞已發(fā)展到339 m,見圖1。

長江流域片貫徹實施水工程建設(shè)規(guī)劃同意書制度的實踐與思考…………………………………………… 劉聯(lián)兵，沈燕舟（19.40）

圖1 鉆孔觀測曲線圖

4)塔山礦超特厚綜放來壓特點及規(guī)律。

a)影響來壓的因素主要有:推進(jìn)速度、地質(zhì)構(gòu)造、頭尾進(jìn)度差距、頭尾標(biāo)高情況、支架的受力狀況、工作面的長度。

b)根據(jù)工作面電視鉆孔以及工作面顯現(xiàn)的觀測結(jié)果分析,工作面頂板超前煤壁21 m左右產(chǎn)生裂隙,超前煤壁15 m產(chǎn)生位移錯動,超前煤壁0～5 m左右產(chǎn)生斷裂位移;頂板活動層位較高,達(dá)到60～70 m。頂煤及頂板巖石滯后工作面10 m、20 m、30 m、 40 m、50 m、60 m、70 m都還沒有垮落嚴(yán)實,上覆頂板巖石還沒有垮落穩(wěn)定;滯后工作面80 m的古塘頂板垮落到181.5 m,頂板巖石垮落基本趨于穩(wěn)定。

c)工作面來壓時基本上是中部先來壓,然后向兩邊擴(kuò)展;如果頭尾不平行推進(jìn),則靠超前一側(cè)的中部先來壓,后向兩邊擴(kuò)展。由于工作面頭尾推進(jìn)不平行,中部壓力較大,有時出現(xiàn)連續(xù)的來壓現(xiàn)象。

d)工作面來壓范圍可分三個區(qū)域:30#到70#是來壓強(qiáng)烈區(qū),來壓強(qiáng)度大,持續(xù)時間長,來壓時安全閥開啟,每小時4～6次;30#到17#、70#到105#兩個區(qū)域來壓強(qiáng)度相對較小,持續(xù)時間相對較短,來壓時安全閥開啟,每小時2～3次;17#到頭、105#到尾來壓不明顯,安全閥開啟較少,時間短,短時間開啟后,相對增阻時間長。

e)由于是實體煤首次開采,工作面端頭及超前范圍應(yīng)力顯現(xiàn)不明顯,順槽單體液壓支柱阻力變化不大,巷道煤壁沒有明顯片幫。工作面長度相對較長,頂板來壓呈現(xiàn)分段來壓的特征,造成工作面來壓時間較長,一般影響2天左右,最短20 h。

f)來壓時機(jī)道頂板完整度相對較好,但當(dāng)工作面工程質(zhì)量較差、端面距大、前探梁接頂不好或受到斷層破碎帶影響,機(jī)道易發(fā)生漏冒。頂煤及頂板垮落高度與工作面推進(jìn)的關(guān)系見表2。

5)礦壓控制及開采工藝中需要注意的問題。

a)塔山超厚煤層綜放開采方法下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律總體是平穩(wěn)的,沒有沖擊性礦壓顯現(xiàn)。

b)塔山超厚煤層礦壓控制方法主要為支架阻力、縮量與礦山壓力適應(yīng)的問題[2]。

c)在目前設(shè)備及開采工藝條件下,礦山壓力的監(jiān)測及預(yù)測預(yù)報對于工作面礦壓管理具有重要意義。

d)繼續(xù)保持合理的工作面推進(jìn)度,保證工作面來壓時平穩(wěn)過渡,根據(jù)實踐和理論計算推進(jìn)度應(yīng)該保持在3.2 m到4 m。e)進(jìn)一步優(yōu)化采煤機(jī)面高度與支架配套,保證來壓頂板下沉?xí)r,機(jī)組能夠順利通過。

表2 頂煤及頂板垮落高度與工作面推進(jìn)的關(guān)系

3 結(jié) 論

通過理論分析及地面鉆孔電視的方法對塔山8102綜放工作面進(jìn)行分析,得出了以下結(jié)論:

1)初采期間,冒落的頂煤可以充滿采空區(qū),形不成冒落的空洞;正常開采期間,不會形成懸頂結(jié)構(gòu),但高位的巖層可以形成一種類似鉸接梁的平衡結(jié)構(gòu),對支架危害性不大。

2)頂煤的初次垮落步距為12 m,直接頂初次垮落為35 m,老頂初次折斷距離為50 m。

3)工作面頂板超前煤壁21 m左右產(chǎn)生裂隙,超前煤壁15 m產(chǎn)生位移錯動,超前煤壁0～5 m產(chǎn)生斷裂位移;頂板活動層位較高,達(dá)到60～70 m。

[1] 錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003:85-87.

[2] 靳鐘銘.放頂煤開采理論級技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2001:122-124.

Study on Mining Pressure Behavior Laws of Tashan Complex Think Seam

Shen Ming-zhu

The pressure behaviors laws of fully-mechanized sublevel caving face of 8102 in Tashan coal mine is systematically analyzed by the theoretical analysis and the on-site observation.Some conclusions can be drawn as follows:the worked-out section can be filled with top coal caving gob during the initial mining stage;the structure of the roof will not form a suspended structure,the top rock layer may be formed a structure which is similar to the hinged beam balanced structure,yet may be not harmful to the powered supports during the normal top-coal caving stage.The first weighting and collapsing step distance of the top coal caving,the top,the upper immediate roof and the main roof is respectively 12 m,35 m and 50 m.

Extra-thick coal seam;Fully mechanized sublevel caving;On-site observation;Pressure behaviors laws;Study

book=6,ebook=11

TD326

B

1672-0652(2010)06-0024-04

2010-04-29

沈明柱 男 1963年出生 2009年畢業(yè)于太原理工大學(xué) 工程師 大同 037003