大采高綜采工作面采場上覆巖層運(yùn)移規(guī)律研究

武 瑾

（山西汾西宜興煤業(yè)有限責(zé)任公司 ，山西 孝義 032300）

0 引言

煤層厚度在7m以下的厚煤層在我國大量存在，針對與這些厚煤層，主要采用放頂煤開采、分層開采以及一次采全高三種采煤方法[1～3]。其中分層開采由于其安全性差，采煤效率低，目前已逐漸被淘汰，我國主要用到的開采方法為大采高和放頂煤開采兩種方式，大采高的采煤方法較放頂煤開采方法優(yōu)勢較為明顯，采煤效率高，資源利用率高，因此大采高技術(shù)已經(jīng)逐漸成為我國厚煤層煤炭開采中主要使用的開采技術(shù)之一[4～5]。但是隨著對生產(chǎn)技術(shù)的要求越來越高，大采高技術(shù)也在生產(chǎn)實(shí)踐中受到了許多的制約因素[6]。本文以蘇家溝煤礦4101大采高綜采工作面為研究背景，采取理論分析以及現(xiàn)場觀測等方法，研究大采高綜采工作面采場頂板運(yùn)移規(guī)律，從而對現(xiàn)場生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)。

1 工程概況

蘇家溝煤礦有限責(zé)任公司位于鄂爾多斯市達(dá)拉特旗，在朝腦溝以西，罕臺(tái)川以東于獨(dú)貴溝處區(qū)域。蘇家溝煤礦4101工作面開采煤層為4-2中煤層，傾角平均為2°，屬于平緩型煤層，厚度為3.15-5.02m左右，平均煤層厚度4.5m，屬于較穩(wěn)定的煤層，煤層結(jié)構(gòu)條件比較簡單，煤層內(nèi)不含有夾矸或者某些部分夾雜夾矸0～1層，夾矸的最大厚度達(dá)到0.18m。該工作面的煤層地質(zhì)構(gòu)造條件比較簡單，工作面上部不存在偽頂，直接頂?shù)膸r性為細(xì)砂巖，其厚度范圍大約為 1.6～11.68m；直接底為層狀泥巖，厚度1.65～7.75m。4101工作面內(nèi)的煤層埋藏深度范圍大約為30～100m，最薄處在停采線附近位置，煤層的埋深較淺大約為30m。

2 采場頂板分類

2.1 直接頂?shù)姆诸?/h3>

根據(jù)工作面在開采的過程中直接頂表現(xiàn)出的穩(wěn)定性的程度來對工作面的直接頂進(jìn)行分類。共可以分為4類。其中1類又分為2個(gè)亞類。類別代號及名稱見表1。

表1 直接頂?shù)膭澐?/p>

根據(jù)在現(xiàn)場觀測到的本煤層的直接頂?shù)膶?shí)際的初次垮落步距，結(jié)合公式（1）求出垮落步距的平均值，進(jìn)而確定直接頂屬于哪個(gè)類別。

式中：lri為已開采煤層的工作面直接頂?shù)膶?shí)際的垮落步距；n為同一層煤層中已經(jīng)開采的工作面的個(gè)數(shù)，通常該值小于3個(gè)。

4101工作面作為4-2中煤層的首采工作面，應(yīng)按照未采煤層進(jìn)行推測，其方法大概可以概括為：首先需要根據(jù)與4-2中煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件相近似的相鄰煤層的綜合弱化常量以及鉆孔取芯的試驗(yàn)，來確定直接頂?shù)膯屋S抗壓強(qiáng)度以及直接頂下位巖層的分層厚度，并按式子（2）計(jì)算出直接頂?shù)某醮慰迓洳骄?，再結(jié)合上表2確定直接頂?shù)念悇e。

表2 直接頂?shù)膭澐只局笜?biāo)參考區(qū)間

在同一層煤層中根據(jù)已經(jīng)開采的工作面的直接頂?shù)目迓洳骄鄟硗扑阄撮_采工作面的直接頂垮落步距。當(dāng)觀測到4-2中煤層中的某個(gè)工作面的直接項(xiàng)初次垮落步距l(xiāng)r1（根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測4-2煤的一個(gè)工作面直接頂?shù)某醮慰缏洳骄嗉s為12m），可以根據(jù)式子式（2）計(jì)算出綜合弱化常量。再結(jié)合式子（3）對該煤層中的其他工作面直接頂初次垮落步距l(xiāng)ri進(jìn)行推算，然后根據(jù)上表2確定其直接頂屬于哪個(gè)類別。

式中：Rc1為已開采工作面的單軸抗壓強(qiáng)度（由煤巖的物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)可以得知Rc1=22.19），MPa；ho1為已開采工作面的直接頂?shù)姆謱雍穸龋ǜ鶕?jù)實(shí)測結(jié)果可知ho1=0.6），m；Rci為某個(gè)未開采工作面的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；hoi—某個(gè)未開采工作面的直接頂?shù)姆謱雍穸?，m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果查表可知，該礦4-2煤直接頂屬于2類巖石，即為中等穩(wěn)定巖石，直接頂易跨落，跨落步距較短。

2.2 基本頂?shù)姆诸?/h3>

與直接頂分類相一致，基本頂分級的基本方法仍然按照1996年經(jīng)原煤炭工業(yè)部批準(zhǔn)頒布的“緩傾斜的煤層工作面頂板分類”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。其分級方法如下：

基本頂可以根據(jù)工作面來壓期間其壓力的顯現(xiàn)程度分為四個(gè)等級。其中，IV級又分為兩個(gè)亞級。級別名稱和代號見表3。

表3 基本頂?shù)膭澐?/p>

基本頂?shù)某醮蝸韷寒?dāng)量（Pr）作為基本頂?shù)姆旨壷笜?biāo)，其值主要由基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄啵↙f），直接頂?shù)某涮钕禂?shù)（N）和煤層采高（hm）這三個(gè)數(shù)據(jù)按式（4）進(jìn)行確定。

式中：Pr為基本頂初次來壓當(dāng)量，kN/m2；H為直接頂?shù)暮穸龋ǜ鶕?jù)蘇家溝礦方提供的相關(guān)資料4-2煤直接頂?shù)钠骄穸燃s為3.8m），m；hm為煤層的采高（根據(jù)蘇家溝礦方提供的相關(guān)資料4-2煤的采高為4.5m）。N—N為直接頂厚度與煤層采高之比。

將其帶入式（4），可得4101工作面基本頂初次來壓當(dāng)量Pr=765。

表3 基本頂分級指標(biāo)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，再查上表3可以得知，該礦4-2煤的基本頂屬于Ⅰ級，即表示基本頂在來壓期間壓力顯現(xiàn)不明顯。

3 4101工作面頂板運(yùn)移規(guī)律現(xiàn)場實(shí)測

針對綜放4101首采面的實(shí)際開采情況，深基點(diǎn)孔口安設(shè)在工作面回風(fēng)巷距開切眼60m和80m處2個(gè)測站中，每個(gè)測站布置4個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔中安設(shè)一個(gè)錨爪深基點(diǎn)，利用深基點(diǎn)跟蹤法對頂煤和頂板變形和運(yùn)移情況進(jìn)行觀測，鉆孔布置如圖1所示。

圖1 鉆孔布置圖

圖2 基點(diǎn)隨工作面推進(jìn)的運(yùn)移實(shí)測規(guī)律

圖2 為鉆孔基點(diǎn)隨工作面推進(jìn)的運(yùn)移規(guī)律圖，從圖中可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)至距幾點(diǎn)位置大約10m時(shí)，工作面頂板開始發(fā)生運(yùn)移，運(yùn)移速率逐漸增大，基本頂中布置的兩基點(diǎn)運(yùn)移情況基本一致。當(dāng)工作面推過基點(diǎn)大約15m后，工作面頂板運(yùn)移量急劇增大，達(dá)到最大位移量，由于深部基點(diǎn)與淺部基點(diǎn)位移量大致相等，因此可判斷工作面頂板并未出現(xiàn)離層現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

從頂板運(yùn)移實(shí)測結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1）4101工作面直接頂為2類中等穩(wěn)定頂板，基本頂為來壓不明顯的Ⅰ級頂板，工作面采場圍巖屬于較好控制的采場圍巖。

2）頂板巖層大約在距工作面煤壁前10m處開始移動(dòng)，其移動(dòng)速率緩慢增加，基本頂中的兩個(gè)深基點(diǎn)移動(dòng)的運(yùn)移情況基本一致，在推過基點(diǎn)大約15m后，頂板運(yùn)移量急劇增加，達(dá)到最大位移量，深部基點(diǎn)與淺部基點(diǎn)位移量大致相等，工作面頂板并未出現(xiàn)離層現(xiàn)象。