李永明，喬元棟，徐青云

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003）

不同基巖厚度綜放上限開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

李永明，喬元棟，徐青云

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003）

文章研究了不同基巖厚度上限開采綜放采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，確定了合理的綜放工作面開采上限，將基巖厚度降低到最小33m，通過限厚開采，確保了水體下綜放開采條件煤炭資源的安全回收，從而最大限度地提高了資源回收率，減少了煤炭資源損失，對(duì)煤炭資源的安全高效開采具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

上限開采；綜放開采；礦壓顯現(xiàn)；基巖厚度；動(dòng)載系數(shù)

近年來(lái),隨著煤炭資源的不斷開采,可采儲(chǔ)量相繼減少,邊角煤的開采已經(jīng)成為礦井煤炭開采的部分之一[1～3]。目前,對(duì)厚含水砂層下綜放頂水開采及合理回采上限已有研究,但上限開采條件下的覆巖穩(wěn)定性以及礦山壓力問題的研究相對(duì)較少[4～6]。興隆莊煤礦的防水煤柱垂高為80m,壓煤量為8 576.4萬(wàn)t,占全礦井地質(zhì)儲(chǔ)量的10.87%。這些防水煤柱儲(chǔ)量均是按照分層開采條件留設(shè)的,當(dāng)采用綜合機(jī)械化放頂煤條件開采時(shí),防水煤柱的尺寸是否可以降低,進(jìn)而提高工作面的回采上限,對(duì)于煤炭資源的安全回收和高效開采具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 工作面生產(chǎn)和地質(zhì)概況

4300工作面位于興隆莊煤礦四采區(qū)最淺部,沿傾斜推進(jìn)長(zhǎng)度約520m,寬152m,開采的煤層為二迭系山西組3＃煤,煤層穩(wěn)定。煤層厚度約為6.05～9.53 m,平均8.33 m,煤層傾角約為6°,埋深220～255 m。煤巖類型屬半光亮型煤,為氣煤,煤層有自然發(fā)火傾向,發(fā)火期3～6個(gè)月,煤塵有爆炸危險(xiǎn)性。4300工作面開采范圍內(nèi)的地層總體發(fā)育為傾向SE的單斜構(gòu)造,古河流沖刷帶位于該面。

4300工作面切眼斜長(zhǎng)121.3m,共布置支架80組,型號(hào)ZFS6200/18/35正四連桿低位放頂煤液壓支架。對(duì)4300工作面開采有影響的含水層為3＃煤頂板砂巖含水層和第四系底部含水層,簡(jiǎn)稱“三含”,是4300工作面頂水安全開采的主要防范對(duì)象。4300工作面開采范圍內(nèi)基巖柱垂高約介于33～75m之間。為研究基巖厚度對(duì)4300工作面礦山壓力顯現(xiàn)的影響,根據(jù)基巖厚度不同,將工作面沿推進(jìn)方向劃分為三個(gè)塊段,其中,第Ⅲ塊段的基巖厚度最小,僅為33～40m,見圖1。

2工作面推進(jìn)方向礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

在4300工作面上、中、下部共設(shè)3個(gè)測(cè)站,測(cè)站位置在20#，40#，60#架處,分別安裝圓圖壓力記錄儀共6臺(tái),連續(xù)觀測(cè)支架的初撐力、工作阻力及時(shí)間加權(quán)阻力,分析得出不同基巖厚度第I，Ⅱ，Ⅲ塊段工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,其中,第I塊段工作面上部礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，見表1。

圖1 4300工作面上限開采不同塊段基巖厚度劃分

表1 第I塊段工作面上部的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

2.1 工作面來(lái)壓步距和來(lái)壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

4300工作面不同基巖厚度不同位置周期來(lái)壓期間支護(hù)阻力對(duì)比見圖2。從圖中可知,第Ⅰ塊段基巖厚度最大,初次來(lái)壓步距最大,達(dá)到51.9m,來(lái)壓強(qiáng)度在第Ⅰ塊段內(nèi)也最大。隨著工作面推進(jìn),周期來(lái)壓強(qiáng)度逐漸降低,第六次和第七次周期來(lái)壓強(qiáng)度僅為3 351.70 KN和3 407.10 KN,是平均值的70.2%和71.4%,但其周期來(lái)壓步距較大為30.5 m和36.5m,均超過第2～5次周期來(lái)壓步距。在第Ⅱ塊段由于基巖厚度降低,采用限厚開采。開采期間共發(fā)生兩次來(lái)壓,來(lái)壓強(qiáng)度分別為4 853.04 KN和3 324.00 KN。

圖2 不同基巖厚度周期來(lái)壓支護(hù)阻力對(duì)比

同時(shí),第Ⅰ塊段來(lái)壓均值和第Ⅱ塊段來(lái)壓均值和最小值均基本相等。第Ⅱ塊段來(lái)壓步距逐漸加大,其中,第九次來(lái)壓步距達(dá)到43.2 m。由于第Ⅲ塊段基巖較薄,礦山壓力顯現(xiàn)劇烈,周期來(lái)壓強(qiáng)度較大,第Ⅲ塊段兩次來(lái)壓強(qiáng)度值均超過了第Ⅰ塊段初次來(lái)壓強(qiáng)度值,分別為初次來(lái)壓強(qiáng)度的1.07倍和1.13倍。因此,采放厚度和基巖厚度對(duì)來(lái)壓強(qiáng)度有較大的影響。

2.2 工作面不同基巖厚度周期來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)對(duì)比

工作面上部不同塊段來(lái)壓期間動(dòng)載系數(shù)，見圖3。從圖中可知,第Ⅰ塊段內(nèi),周期來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)變化基本呈波折型,第1～3次逐漸減小,3～5次逐漸增大,隨后減小后又增大。其中,第6次來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)最小。第Ⅰ塊段和第Ⅱ塊段來(lái)壓期間動(dòng)載系數(shù)均值相差不大,第Ⅲ塊段動(dòng)載系數(shù)較大,第11次來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為2.14甚至超過了初次來(lái)壓。在第Ⅲ塊段非來(lái)壓期間壓力不大,動(dòng)載系數(shù)較大的原因是來(lái)壓時(shí)壓力較大。

2.3工作面不同基巖厚度周期來(lái)壓影響范圍對(duì)比

圖3 不同基巖厚度周期來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)對(duì)比

工作面上部周期來(lái)壓的影響范圍進(jìn)行對(duì)比，見圖4。從圖中可知,第Ⅱ塊段周期來(lái)壓的平均影響范圍最大為12.13 m,第Ⅲ塊段次之為7.5 m,第Ⅰ塊段來(lái)壓期間平均影響范圍最小為5.5m。中部和下部周期來(lái)壓影響范圍均有隨基巖厚度減小而增加的趨勢(shì)。工作面中部第Ⅲ塊段周期來(lái)壓的平均影響范圍最大為13.5m,影響范圍最大值達(dá)17 m。第Ⅱ塊段周期來(lái)壓的平均影響范圍為10.23 m,第Ⅰ塊段來(lái)壓期間平均影響范圍最小為5.28m。下部周期來(lái)壓影響范圍平均值分別為6.42，8.97和10.23m。因此,周期來(lái)壓對(duì)基巖較薄的塊段影響更大。

3 工作面傾斜方向礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律

3.1 工作面不同部位來(lái)壓強(qiáng)度對(duì)比

圖4 不同基巖厚度周期來(lái)壓影響范圍對(duì)比

第Ⅰ塊段內(nèi)上部、中部和下部初次來(lái)壓步距基本相同,均為50m左右。同時(shí),第Ⅰ塊段內(nèi)工作面上部和下部來(lái)壓具有同時(shí)性,來(lái)壓步距非常接近,中部周期來(lái)壓步距小于上部和下部。第2次周期來(lái)壓時(shí),距切眼的距離與第Ⅰ塊段內(nèi)工作面上部和下部相差10 m左右。第7次周期來(lái)壓時(shí),距切眼的距離比上部和下部低39m左右,但來(lái)壓次數(shù)較多,比上部和中部來(lái)壓次數(shù)多兩次。因此,第Ⅰ塊段內(nèi)不同位置來(lái)壓特點(diǎn)為,上部和下部來(lái)壓基本對(duì)稱,而中部來(lái)壓步距相對(duì)較小,來(lái)壓次數(shù)較多。

第Ⅱ個(gè)塊段工作面下部共發(fā)生3次來(lái)壓,而上部和中部共發(fā)生兩次來(lái)壓。來(lái)壓步距上部較大,中部和下部基本相等。來(lái)壓強(qiáng)度呈現(xiàn)傳遞性,開始上部最大,中部次之,下部最小,下一次來(lái)壓強(qiáng)度又呈現(xiàn)出下部最大,中部次之,上部來(lái)壓來(lái)壓強(qiáng)度最小的趨勢(shì)。第Ⅲ塊段來(lái)壓步距基本相等,上部和中部比下部略大。同時(shí),來(lái)壓強(qiáng)度對(duì)比較明顯,同一次來(lái)壓時(shí),上部來(lái)壓強(qiáng)度最大,下部來(lái)壓強(qiáng)度次之,中部來(lái)壓強(qiáng)度最小。

3.2 工作面傾斜方向不同部位動(dòng)載系數(shù)對(duì)比

第Ⅰ塊段內(nèi)上部和中部來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)呈波折性變化,范圍在1～2之間,下部來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)呈單調(diào)遞增趨勢(shì),并且來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)下部基本大于中部。第Ⅰ塊段內(nèi)上部、中部和下部平均來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)均為1.50左右。第Ⅱ塊段內(nèi)來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)中部和下部相差不大,中部來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)略大,平均來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)中部為1.82和1.71,均高于上部1.40。第Ⅲ塊段上部和中部動(dòng)載系數(shù)曾遞增趨勢(shì),上部來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)變化梯度較大,最后一次來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)達(dá)到2.14,遠(yuǎn)高于中部和下部。下部來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)最小,平均僅為1.18。中部平均來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)介于上部和下部之間平均為1.7。

3.3 工作面傾斜方向支架工作阻力對(duì)比

受煤層傾角、開采邊界條件、回采工藝、煤巖賦存條件及支護(hù)質(zhì)量等因素的影響,工作面傾斜方向的頂板壓力有所不同。實(shí)測(cè)分析得出工作面在非來(lái)壓期間和來(lái)壓期間傾斜方向壓力分布見圖5和圖6。

圖5 非來(lái)壓期間工作面傾斜方向支架阻力

圖6 來(lái)壓期間工作面傾斜方向支架阻力分布

由圖可知,在非來(lái)壓期間,由于頂板沿工作面方向成簡(jiǎn)支梁形態(tài),中部下沉量較大,頂煤和支架承受壓力比工作面上下端頭都高;來(lái)壓后,工作面中部頂煤被壓碎,塑性破壞嚴(yán)重,支撐能力下降,致使上覆巖層應(yīng)力不能傳遞到支架上,所以此時(shí)工作面中部支架支撐力小,而兩端頭支架支撐力大。在這種工作面條件下,非來(lái)壓期間應(yīng)該加強(qiáng)工作面中部的支護(hù),而在來(lái)壓期間應(yīng)該加強(qiáng)工作面兩端頭支護(hù),提高支護(hù)質(zhì)量,增強(qiáng)對(duì)頂板的控制效果。

4 結(jié)論

1)4300工作面基巖厚度較大時(shí),工作面初次來(lái)壓步距較大,當(dāng)基巖厚度相同時(shí),來(lái)壓強(qiáng)度也較大。隨著基巖厚度的降低,礦山壓力顯現(xiàn)劇烈程度和周期來(lái)壓強(qiáng)度呈增大趨勢(shì),表明采放厚度和基巖厚度對(duì)來(lái)壓強(qiáng)度有較大的影響。

2)工作面非來(lái)壓期間,頂板沿工作面傾斜方向成簡(jiǎn)支梁形態(tài),中部下沉量較大,支架承受壓力大于上部和下部;工作面來(lái)壓期間,工作面中部頂煤被壓碎,塑性破壞嚴(yán)重,致使上覆巖層應(yīng)力不能傳遞到支架上,工作面中部支架工作阻力小,而上部和下部支架工作阻力大。因此,非來(lái)壓期間應(yīng)加強(qiáng)工作面中部的支護(hù),來(lái)壓期間應(yīng)該加強(qiáng)工作面兩端頭支護(hù),增強(qiáng)對(duì)頂板的控制效果。

3)4300綜放工作面采用ZFS6200/18/35型支撐掩護(hù)式支架,適應(yīng)工作面煤層條件下的頂板活動(dòng)規(guī)律,具有良好的支架-圍巖關(guān)系。同時(shí),現(xiàn)場(chǎng)由于回采工藝安排合理,及時(shí)支護(hù)伸縮前梁,有效防止了端面頂煤的冒落,確保了工作面生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

[1]金太,席京德.緩傾斜厚煤層開采礦山壓力與巖層控制[M].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2000.

[2]秦忠誠(chéng),趙枝業(yè),路光秋.楊村煤礦薄基巖區(qū)提高綜放面開采上限試驗(yàn)研究[J].中國(guó)礦業(yè),2007,10(9)：1－6.

[3]展國(guó)偉.松散層和基巖厚度與裂隙帶高度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究[D].西安：西安科技大學(xué),2007.

[4]黃漢富,白海波.司馬煤礦薄基巖區(qū)松散層特性與煤層安全開采[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2008,18(02)：34－38.

[5]楊永秀,趙道輝,孫孟杰.提高礦井開采上限的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].煤炭工程,2003,15(06)：22－25.

[6]孫占成,劉磊磊,李永明.綜放開采動(dòng)壓影響破碎巷道圍巖加固控制技術(shù)研究[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2011, 27(06)：15－18.

〔責(zé)任編輯 石白云〕〕

Research on Strata Behaviors Law of Ascending M ining in Fully M echanized Caving Face for Different Bedrock Thickness

LIYong－ming，QIAO Yuan－dong，XU Qing－yun

（School of Coal Engineering，ShanxiDatong University，Datong Shanxi，037003）

Strata behaviors law was studied in ascendingmining in fully mechanized caving face on the different thickness and reasonablemining upper limitwas determined in this paper.The bedrock thickness decreases to 33m and ensure safety coalmining for fullymechanized caving under conditions ofwater body bymining thick limit.Thus，the resources recovery rate is improved in the maximum degree and the loss of coal resources is reduced.It has important theoretical value and practical significance for safe and efficientmining of coal resources.

uppermining；fullymechanized caving face；strata behaviors；the bedrock thickness；dynamic load coefficient

P208

A

2012－12－08

李永明（1979－），男，山西朔州人，在讀博士，講師，研究方向：采礦工程與教學(xué)。

1674－0874（2013）03－0066－04