塔山特厚复杂煤层综放开采矿压显现规律研究

沈明柱

(同煤大唐塔山煤矿有限公司)

塔山特厚复杂煤层综放开采矿压显现规律研究

沈明柱①

(同煤大唐塔山煤矿有限公司)

通过理论分析及现场实测,研究塔山8102综放工作面矿压显现规律。结果表明:初采阶段垮落顶煤可以充满采空区;正常放煤阶段,顶板不会形成悬顶结构,高位岩层可以形成一种类似铰接梁的平衡结构,但对支架危害不大;顶煤、直接顶与老顶的初次垮落步距分别为12 m、35 m和50 m。

特厚煤层;综放开采;现场实测;矿压显现规律;研究

1 工作面煤层赋存及开采情况

1)煤层赋存情况。塔山井田现开采的石炭系太原组3#～5#煤层,埋深300～500 m,与侏罗系煤层间距约200 m。上部侏罗系煤层大部分采空。3#～5#煤层厚度较大,沉积环境不稳定,结构复杂,分岔合并现象频繁。煤层由6～35(一般10～15)个分层组成,含矸率2%～33%,平均16%。夹矸累厚0.15～1.4 m,单层最厚0.6 m,一般由高岭岩、高岭质泥岩、砂质泥岩和炭质泥岩组成。煤层节理较为发育,硬度中等以上。

2)煤层顶底板条件。塔山井田石炭系太原组厚度86～95.86 m,一般厚度88.67 m,岩石组成包括砂岩、砂砾岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、高岭质泥岩和煌斑岩。

3)工作面开采情况。塔山煤矿从2006年7月 19日开始试生产,首采面为8102工作面。8102工作面是大同煤业集团公司由侏罗纪向石炭纪煤系过渡的特厚煤层开采的第一个工作面,采用一次采全高低位放顶煤开采方法。工作面长度为230.5 m,走向长度为1 531 m,工作面地质储量8 819 178.7 t。2006年2月15日首采面8102工作面圈出,4月5日矿井进入停产准备,6月6日首采面带煤试运转,7月28日批复矿井联合试运转报告,截至2007年7月19日工作面全部停采结束,生产煤量为7 608 595.3 t,工作面回采率达到84.7%。

2 塔山矿综放开采矿压显现规律

1)开采前的矿压显现预测。初采期间:按采放厚度15～20 m、工作面回收率85%、岩石(煤)冒落碎涨系数为1.3计算,顶煤不放。则初采时充满采空区需冒落高度为[1]:h初=3.5×1/(1.3-1)=11.7 m。而顶煤的厚度为11.5～16.5 m,满足采空后的充填高度,形不成冒落空洞。

正常开采:推采10～15 m后进行正常放煤,顶煤回收率按75%计算,充填采空区需冒落的高度为: h垫=h×1/(1.3-1)=50～66.7 m。依据首采工作面的3个地质钻孔资料,煤层上部30 m范围内的顶板岩性为泥岩、高岭岩、炭质泥岩、煤、粉砂岩、中砂岩互层,抗压强度为29～67 MPa,一般在40～60 MPa,属中硬顶板,岩层分层厚度30 m以下0.2～2.0 m,30 m以上的分层厚度为4.0～6.0 m,最厚为14 m,岩层节理中等发育,发育有内生裂隙,节理面充填有方解石脉,结构疏松,性脆易碎。煤层节理间距在15～25 cm,主节理间距1.0～1.2 m,节理倾角55°,属破碎煤层,其冒落性较好,正常开采期间不存在悬顶结构。

通过上述分析认为,塔山首采工作面的顶煤及顶板是可以自然垮落的,虽然上覆岩层局部分层厚度较大,但距离煤层层位较高,下部垮落后能够形成基本垫层,高位的岩层可以形成一种类似铰接梁的平衡结构,对支架危害性不大。

2)开采时的矿压显现情况。8102工作面从2006年7月开始生产,截至2007年7月19日工作面停采,共计推进1 280 m,共计来压79次来压,37次其中顶煤初次、直接顶初次垮落、老顶的初次垮落和76次老顶岩梁周期折断。8102工作面初采期当工作面推进到平均11 m左右时,中部50#～60#架后方顶煤开始垮落,初次垮落高度为2.0 m左右;随之工作面的推进,顶煤的垮落范围逐渐扩展到45#～67#架,垮落高度为5～6 m;工作面推进到平均15 m时,顶煤的垮落范围扩展到32#～82#架,垮落高度估计达到10 m左右;当工作面平均推到21.75 m时,顶煤基本全部垮落。工作面顶板初次来压距离为34～36 m,周期来压步距工作面正常推进时为16～ 18 m;推进不正常、速度缓慢时,周期来压步距缩短,为10～14 m。由于工作面倾斜长度大,顶煤厚度大因此每次来压时工作面压力较大达到10 000 kN以上,由于工作面倾斜长度较大中部压力显现比较明显。

通过分析,顶煤的初次垮落步距为12 m;直接顶初次垮落为35 m;老顶初次折断距离为50 m。8102工作面来压对工作面的明显影响主要是机道裂开、漏顶,支架被压死,支柱损坏共计98根。8102工作面来压情况见表1。

表1 8102工作面来压情况

3)8102工作面地面钻孔电视观测情况。为了更进一步的掌握工作面顶板活动情况,8102工作面进行了地面电视钻孔观测,地面钻孔于2006年7月中旬完成施工,从9月下旬正式开始进行观测。钻孔参数:距工作面切眼260 m,观测孔径91 mm,钻孔终孔深度495.03 m,位于3#～5#煤层底板,见3#～5#煤层顶板位置为444 m,煤层厚度22 m。

观测的初步分析结果:钻孔超前工作面煤壁21.5 m时,顶板上方4～9 m开始产生竖向裂隙,表明在超前压力作用下,顶板已经开始被破坏;超前15 m时,顶板上方30 m内产生水平和竖向裂隙,并发现钻孔有进风现象,说明裂隙发展增大,与工作面采空区沟通;超前5 m时,顶板产生水平错动,高度达到45 m左右;接近工作面位置时,顶板产生离层错动,且有折断现象;当工作面采过钻孔2 m时,顶板上方40 m处钻孔破坏;12.5 m时,顶板上方56 m破坏;19 m时,顶板上方62 m破坏;27.5 m时,顶板上方77 m破坏;61.5 m时,顶板上方151.5 m破坏。当工作面已经推过钻孔127 m后,在顶板上方210 m和209 m之间仍存在约0.7 m的空洞,直到开采至203 m时,在顶板上方274 m处空洞才减小为0.1 m,212 m后消失;现钻孔破坏已发展到339 m,见图1。

长江流域片贯彻实施水工程建设规划同意书制度的实践与思考…………………………………………… 刘联兵，沈燕舟（19.40）

图1 钻孔观测曲线图

4)塔山矿超特厚综放来压特点及规律。

a)影响来压的因素主要有:推进速度、地质构造、头尾进度差距、头尾标高情况、支架的受力状况、工作面的长度。

b)根据工作面电视钻孔以及工作面显现的观测结果分析,工作面顶板超前煤壁21 m左右产生裂隙,超前煤壁15 m产生位移错动,超前煤壁0～5 m左右产生断裂位移;顶板活动层位较高,达到60～70 m。顶煤及顶板岩石滞后工作面10 m、20 m、30 m、 40 m、50 m、60 m、70 m都还没有垮落严实,上覆顶板岩石还没有垮落稳定;滞后工作面80 m的古塘顶板垮落到181.5 m,顶板岩石垮落基本趋于稳定。

c)工作面来压时基本上是中部先来压,然后向两边扩展;如果头尾不平行推进,则靠超前一侧的中部先来压,后向两边扩展。由于工作面头尾推进不平行,中部压力较大,有时出现连续的来压现象。

d)工作面来压范围可分三个区域:30#到70#是来压强烈区,来压强度大,持续时间长,来压时安全阀开启,每小时4～6次;30#到17#、70#到105#两个区域来压强度相对较小,持续时间相对较短,来压时安全阀开启,每小时2～3次;17#到头、105#到尾来压不明显,安全阀开启较少,时间短,短时间开启后,相对增阻时间长。

e)由于是实体煤首次开采,工作面端头及超前范围应力显现不明显,顺槽单体液压支柱阻力变化不大,巷道煤壁没有明显片帮。工作面长度相对较长,顶板来压呈现分段来压的特征,造成工作面来压时间较长,一般影响2天左右,最短20 h。

f)来压时机道顶板完整度相对较好,但当工作面工程质量较差、端面距大、前探梁接顶不好或受到断层破碎带影响,机道易发生漏冒。顶煤及顶板垮落高度与工作面推进的关系见表2。

5)矿压控制及开采工艺中需要注意的问题。

a)塔山超厚煤层综放开采方法下的矿压显现规律总体是平稳的,没有冲击性矿压显现。

b)塔山超厚煤层矿压控制方法主要为支架阻力、缩量与矿山压力适应的问题[2]。

c)在目前设备及开采工艺条件下,矿山压力的监测及预测预报对于工作面矿压管理具有重要意义。

d)继续保持合理的工作面推进度,保证工作面来压时平稳过渡,根据实践和理论计算推进度应该保持在3.2 m到4 m。e)进一步优化采煤机面高度与支架配套,保证来压顶板下沉时,机组能够顺利通过。

表2 顶煤及顶板垮落高度与工作面推进的关系

3 结 论

通过理论分析及地面钻孔电视的方法对塔山8102综放工作面进行分析,得出了以下结论:

1)初采期间,冒落的顶煤可以充满采空区,形不成冒落的空洞;正常开采期间,不会形成悬顶结构,但高位的岩层可以形成一种类似铰接梁的平衡结构,对支架危害性不大。

2)顶煤的初次垮落步距为12 m,直接顶初次垮落为35 m,老顶初次折断距离为50 m。

3)工作面顶板超前煤壁21 m左右产生裂隙,超前煤壁15 m产生位移错动,超前煤壁0～5 m产生断裂位移;顶板活动层位较高,达到60～70 m。

[1] 钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003:85-87.

[2] 靳钟铭.放顶煤开采理论级技术[M].北京:煤炭工业出版社,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年毕业于太原理工大学 工程师 大同 037003