赵各庄矿深部大倾角综放工作面矿压显现规律研究①

2013-08-28刘占春

华北科技学院学报 2013年2期

刘占春

(唐山开滦赵各庄矿业公司，河北唐山 063100)

0 引言

开滦赵各庄矿井田地质构造复杂，煤层赋存条件变化大，深部开采给矿井瓦斯治理和巷道支护造成严重影响［1］。目前，赵各庄矿可采煤层为东翼7、9、12煤层和西翼9、12煤层。由于9煤层为煤与瓦斯突出煤层，需先开采保护层(7、12煤层)，7煤层为上保护层，12煤层为下保护层。12煤层埋深大、倾角陡，属倾斜煤层，厚度较大，采用综采放顶煤沿走向推进的开采方法。我国综放开采技术经过近20多年的试验、推广，目前已成为我国厚及特厚煤层开采的主要采煤方法［2］。本文针对12煤层深部大倾角综放工作面的矿压显现规律和上覆围岩运移规律进行了研究。

1 工作面概况

3237综放工作面位于13水平西翼2石门12煤层，煤层倾角 26°～43°，煤层厚度 9.12 m～11.4 m。工作面呈一单斜构造，赋存较稳定，标高－1002.1 m～－1055.9 m。受矿井西翼向斜影响，煤层走向变化较大。3237工作面走向长307 m～326 m，倾向长96 m，距上覆9煤层间距为30 m～43 m，上覆9煤层正在开采。

3237综放工作面老顶为深灰色粉砂岩，致密均一，厚度2.70 m～4.60 m，泥质胶结;直接顶为黑色腐泥质粘土岩，厚度3.26 m～8.74 m;直接底为灰色粉砂岩，厚度0.49 m～2.67 m;老底为灰色细砂岩，厚度1.60 m～4.28 m，硅质胶结，主要成份为石英，局部夹有粉砂岩，层面含有植物质碎屑化石。

3237综放工作面沿煤层走向，采用一进一回方式布置巷道，切眼沿倾向布置(图1)。回风巷兼作辅助运输巷;运输巷为机轨合一布置。运输巷、回风巷及切眼均沿底板掘进，后退式回采。运输巷和回风巷采用29U10.4 m2可缩性金属拱型支架支护，棚距0.5 m。采煤方法为走向长壁综合机械化放顶煤，工作面选用ZF4000－15.5/25型综放支架作为基本支架，共安装55组。采用全部跨落法管理顶板，生产方式为两采一准。

图1 3237综放工作面巷道布置示意图

2 回采工作面矿压显现观测与分析

2.1 测点布置

主要观测支架在回采过程中的工作阻力变化规律。采用山东尤洛卡生产的数字压力计进行支架阻力观测。工作面共安设5个数字压力计，分别安装在第10组、20组、30组、40组、50组支架上(支架编号顺序从上端头至下端头依次增大)，数字压力计第一通道与支架前柱连接，第二通道与支架后柱连接。共计观测75天，回采进度约142m。

2.2 矿山压力显现特征

工作面各组支架日平均阻力观测结果如表1所示。由表1可知，工作面支架日平均初阻力前柱最大为1111.32 kN，后柱最大为657.72 kN，远小于4000 kN的支架额定工作阻力值。

以工作面推进距离开切眼长度为横坐标，以支架加权平均阻力Pt为纵坐标，分别绘出不同观测点支架阻力沿工作面推进方向的分布曲线(图2)。

表1 工作面各组支架日平均阻力观测结果

图2 工作面支架阻力曲线图

支架载荷观测数据符合正态分布，根据统计学原理，有:

式中，P'——可靠度为99%时的支架合理工作阻力，kN/架;

σp——均方差，kN/架

1)各组支架对应顶板的初次来压步距和周期来压步距、初次来压支架增载系数和周期来压支架增载系数如表2所示。由表2可知，工作面上端头顶板周期来压强度略大于中部，中部略大于下部，来压步距亦如此，这主要是由于顶板垮落后岩石沿采空区倾斜方向往下滚落，使下部充填密实，上部悬空造成的;而对于初次来压，整个工作面沿倾斜方向来压强度和步距相差不多，主要是顶板还未垮落，下部和上部均未被矸石充填［2］。

表2 工作面矿压显现参数

2)由图2可知，前柱支架平均阻力约为612kN，后柱支架平均阻力约为295kN，前柱约为后柱的2倍，这主要是由于后柱顶煤破碎，形成小结构，对上覆顶板压力具有缓冲作用，而顶板将自身压力前移，作用在前柱上造成的。

3 大倾角煤层综放开采上覆岩移规律的观测与分析

3.1 测站布置

在3237综放工作面回风巷道距上山165 m和192 m处分别安设两个深基孔观测站，每个测站安设三组顶板离层仪，两个测站的深基孔设计参数相同，深基孔参数包括孔口倾角、孔深和基点位置(表3)，每个测站布置三个深基点，分别用于记录顶煤、直接顶和老顶的运移情况(图3)。为了保证观测效果，要求深基点深入工作面长度大于10 m。

3.2 观测结果

在完成深基点安装后，立即进行初次测量，记录外露钢丝的初始长度。在随后开采过程中，每天进行观测，当工作面推进到煤壁附近时，共进行21次观测。其中，正值表示测点位于工作面煤壁前方，负值表示测点位于采空区方向，如图4所示。

图3 综放面深基孔布置图

表3 3237工作面深基点钻孔几何参数值

图4 顶煤顶板位移曲线图

3.3 上覆煤(岩)层移动规律

根据实测结果，可以得到以下规律:

1)在开采底煤完毕放顶煤前，由于顶煤煤质较软，受采动影响，上位顶煤松动，产生裂隙，沿低位放煤口连续放出，直接顶随顶煤放出而垮落，基本顶产生裂隙。随着工作面向前推进，裂隙不断发育，基本顶将发生阶段性破断，与直接顶一起沿采空区向下移动，采空区上部矸石亦随顶煤放出而在上覆岩层的压力作用下，向下部迅速移动［3］。

2)顶煤、直接顶和老顶的始动点与煤壁的距离分别为16m、18m和23m，上覆顶煤与顶板始动点超前于煤壁，这主要是因采空区空间增大，上覆顶板垮落，导致前方顶板有向采空区下滑的趋势，使前方顶板出现水平位移，再加之来压影响，使前方顶板出现一定量的垂直位移量［4］。上位顶煤层位越高移动越早，且上部位移大于下部位移。放顶煤过程中，顶煤位移以水平位移为主。在距离煤壁6m处时，顶煤位移量开始增加，随着顶煤向煤壁靠近，顶煤位移速度逐渐加快，当工作面推进到基点正下方时，顶煤位移量超过100 mm，表明顶煤已完全破碎。

3)顶煤裂隙在顶煤移动开始时，上下并未贯通，但随工作面推进以及顶煤放出，裂隙不断发育，最终在顶煤移动到放出口附近时，顶煤裂隙上下贯通。造成顶煤的垮落角大于90°(实测为110°左右);

4)随工作面推进，垮落的直接顶和基本顶沿采空区向下部不断运动。在基本顶垮落端，向下形成一定的挠度，采空区上部矸石亦因上覆岩层压力作用而向下移动，顶板整个垮落部分形成漏斗状形态［5］。

5)沿工作面倾斜方向压力呈现分布不均匀特点，这是由于大倾角工作面采空区矸石在自重作用下向下部滚落，导致下部充填较密实所致。具体表现为中上部最大，上部次之，下部较小［6］。