老旧矿井复采工作面矿压显现规律研究

张 勇

(山西能源学院矿业工程系,山西省太原市,030006)

老旧矿井复采工作面矿压显现规律研究

张 勇

(山西能源学院矿业工程系,山西省太原市,030006)

以圣华矿3101复采工作面为研究对象,得出了复采工作面矿压显现规律。相比于常规工作面而言,复采工作面来压步距较短,来压强度较大,前、后立柱载荷不均衡,矿压显现更为明显;过冒顶区时支架工作阻力相对非冒顶区较小,煤壁片帮有加剧趋势。

老旧矿井 复采 矿压显现 工作阻力

20世纪末,有些煤矿由于采用刀柱式、残柱式等落后采煤工艺,或采取采富弃贫的开采手段,导致大量的煤炭资源遗留在采空区内,促使面临资源枯竭的老旧矿井开始着眼于矿井残留煤体的开采,也称为复采。复采工作面限于其回采环境的特殊性,其矿压显现规律与常规工作面往往有所不同。2005年之前,圣华矿一直采用巷柱式和仓房式采煤工艺对3＃煤层进行开采,破坏了3＃煤层完整性,为了提高矿井服务年限,需要对这部分煤层进行复采。现以3101工作面为例研究复采工作面矿压显现规律。

1 工作面概况

3101工作面为圣华矿设计的首个复采工作面,工作面位于3＃煤层中,煤层平均埋深为210 m,煤层均厚为6.6 m,煤层倾角平均为12.4°,工作面设计可采走向长度和倾斜长度分别为550 m和80 m。在工作面回采过程中会经过原小煤窑开采遗留的区域或空巷,工作面所过的空巷区域即为巷柱式采煤遗留的采空区和巷道,空巷经长时间后出现局部冒顶和片帮。3101工作面伪顶为厚0.2 m的泥岩,直接顶为厚4.5～6.2 m的灰黑色沙质泥岩,基本顶为厚9.5～16.5 m的砂岩,直接底为均厚2.4 m的泥岩,基本底为均厚4.5 m的砂质泥岩－粗粒砂岩;工作面布置有运输巷和回风巷,均采用锚网索联合支护,工作面井下布置如图1所示。工作面采用走向长壁综合机械化放顶煤开采,采高为2.0 m,放煤高度为4.6 m,采用54架ZF4800/17/28型放顶煤支架进行放顶煤和采场支护。

图1 3101复采工作面井下布置示意图

2 矿压观测分析

沿3101工作面倾斜方向布置5条测线进行矿压观测,5条测线分别布置在5＃、15＃、27＃、36＃、48＃支架上。要求观测时间不低于4次周期来压,所采集数据与本矿常规开采工作面3402工作面对比以掌握3101复采工作面矿压显现规律的特殊性。煤壁片帮、顶板冒落等宏观显现采用人员记录。

2.1 初撑力分析

3402工作面所测支架最小初撑力为21.3 k N,最大初撑力1437 k N,平均初撑力为986 k N,分别为额定初撑力3956 k N的0.54%、36.3%和24.9%。根据所测支架各循环内数据显示,整台支架初撑力分布在0～250 k N的约占7.1%,分布在250～500 k N的约占12.7%,分布在500～750 k N的约占19.8%,分布在750～1000 k N的约占44.2%,分布在1000～1250 k N的约占13.6%,超过1250 k N的约占2.6%。3101复采工作面所测支架初撑力最小值为25.3 k N,最大初撑力为1542 k N,平均初撑力为1012 k N,分别为额定初撑力的0.64%、38.9%和25.6%;根据所测支架各循环内数据显示,整台支架初撑力分布在250～500 k N的约占13.4%,分布在500～750 k N的约占22.1%,分布在750～1000 k N的约占32.1%,分布在1000～1250 k N的约占28.4%,即小于250 k N和超过1250 k N的仅占4%。由此可知,复采工作面和常规工作面初撑力均普遍较低,3101工作面平均初撑力仅高出3402工作面26 k N,仅为额定初撑力的0.66%。分析认为,3＃煤层顶底板岩层强度较低,顶煤离层明显,支架存在不同程度钻底现象,且升架时间偏短,是导致回采期间支架初撑力普遍较低的主要原因。

2.2 工作阻力分析

3402工作面5条测线所测支架最大工作阻力分别为4585 k N、4976 k N、4924 k N、4731 k N和4807 k N,平均为4805 k N,与额定工作阻力几乎相等;平均工作阻力呈现两端小中间大的现象,分别为2967 k N、3024 k N、3011 k N、2868 k N和2976 k N,平均为2969 k N,为额定工作阻力的61.9%,其中前后柱平均工作阻力分别1487 k N和1482 k N,前后柱基本无偏载现象。所测支架工作阻力主要分布在2000～3500 k N,约占统计数的91.2%。3101复采工作面5条测线所测最大工作阻力分别为4685 k N、4998 k N、4824 k N、4831 k N和4907 k N,平均为4849 k N,为额定工作阻力的101%;平均工作阻力呈现两端小中间大的现象,分别为3167 k N、3204 k N、3418 k N、3268 k N和3273 k N,平均为3266 k N,为额定工作阻力的68.1%,其中后柱工作阻力平均为732 k N,为前柱平均工作阻力的31.4%。所测支架工作阻力主要分布在2000～3500 k N,约占统计数的85.4%。由此可知,3101复采工作面平均工作阻力和平均最大工作阻力比3402工作面分别要高297 k N和44 k N,且复采工作面前后柱存在明显偏载现象。复采工作面支架工作阻力相对较大,其原因是前期回采后基本顶已经形成了较为稳定的某种结构,承载了上覆岩层重量,复采工作面在回采过程中,顶板岩层很难形成新的结构,上覆岩层重量基本由支架承担,这样造成复采工作面支架工作阻力相对较大。

2.3 矿压显现分析

根据现场观测可知,3402工作面推进16.2 m时直接顶垮落,推进29.4 m时基本顶大面积垮落,而3101工作面推进15.7 m时直接顶垮落,推进26.5 m时基本顶大面积垮落,故复采工作面初次垮落步距相比于实体煤常规工作面而言相对较短。3402工作面和3101工作面支架工作阻力随工作面推进变化曲线如图2所示,图2显示,3402工作面来压步距11.4～13.4 m,平均为12.6 m; 3101工作面来压步距为9.3～10.1 m(过冒顶区范围除外),平均为9.6 m。3402工作面初次来压和周期来压期间,支架平均工作阻力为3987 k N和3664 k N,动载系数分别为1.28和1.32;3101工作面初次来压和周期来压期间,支架平均工作阻力分别为4024 k N和3846 k N,动载系数分别为1.40和1.37。由此说明,相比于实体煤常规工作面而言,复采工作面来压步距相对较短,来压强度相对较大,矿压显现更为明显。

图2 3402工作面和3101工作面支架工作阻力随工作面推进变化曲线

2.4 复采工作面冒顶区矿压分析

3101工作面第二次周期来压时要通过空巷冒顶区,冒顶区距开切眼37～49 m,观测结果见图2所示,由图2可知过冒顶区来压步距为24 m(第二和第三峰值点之间距离),远大于非冒顶区来压步距;临近冒顶区时支架工作阻力呈先上升后下降趋势,支架最大工作阻力可达4857 k N(距离36 m处),在通过冒顶区时支架工作阻力逐渐降低,冒顶区内支架平均工作阻力和最大工作阻力分别为2565 k N和4275 k N(距离37 m处),分别为额定工作阻力的53.4%和89.1%,相比工作面过非冒顶区而言平均工作阻力降低了242 k N;前柱平均工作阻力为1379 k N,后柱平均工作阻力为1186 k N,前柱是后柱的1.2倍。分析认为工作面临近冒顶区时,冒顶区上方岩体破断程度进一步加剧,破断的岩体向采空区运移,导致支架工作阻力上升;进一步接近冒顶区和通过冒顶区时上方岩体发生回转,顶板压力向采空区移动,支架工作阻力持续下降并逐渐回落,这就导致工作面过冒顶区时支架工作阻力相对较小,冒顶区顶板断裂和运移导致复采工作面周期来压不规律。

3 宏观观测

现场测量表明,非来压期间3402工作面和3101工作面煤壁片帮率约占工作面倾斜长度的14%和16%,片帮尺寸平均为0.46 m×0.51 m(深度×高度,下同)和0.75 m×0.69 m;而来压期间两工作面煤壁片帮率约占工作面倾斜长度的21%和37%,煤壁片帮尺寸平均为0.76 m×0.81 m和0.96 m× 1.22 m;冒顶区煤壁片帮率约占工作面倾斜长度的26%,煤壁片帮尺寸平均为0.84 m×1.26 m。现场还发现,3402工作面和3101工作面煤壁片帮基本都是处于工作面中部和中上部,以滑落式最为常见。由此说明复采工作面煤壁片帮普遍较常规工作面严重,且冒顶区受到顶板断裂、运移和回采扰动作用,煤壁片帮有加剧趋势。非来压期间未见支架安全阀卸压现象,来压期间安全阀卸压率为统计的2%,故支架支护状态较好。

4 结语

(1)复采时,煤层上覆岩层因经历前期回采变形破坏无法形成新的结构,大部分上覆岩层重量直接由支架承担,故相比于常规工作面复采工作面支架工作阻力相对较大,复采工作面后柱工作阻力仅为前柱的31.4%,复采工作面初撑力普遍较低,在回采时应注意适当提高支架初撑力。

(2)相比于常规工作面复采工作面初次来压步距和周期来压步距相对较小,动载系数相对较大,煤壁片帮更为严重,矿压显现更为明显。

(3)冒顶区的存在造成顶板岩层不规则断裂,导致复采工作面周期来压不规律,同时也一定程度加剧了煤壁片帮。工作面过冒顶区时,上方岩体发生回转,顶板压力向采空区移动,支架工作阻力相比于非冒顶区较小。

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Study on strata behavior regularity of second miming face in old mine

Zhang Yong
(Department of Mining Engineering,Shanxi Institute of Energy,Taiyuan,Shanxi 030006,China)

Taking the 3101 second mining face in Shenghua Mine as the research object,strata behavior regularity of the second miming face was studied.The results showed that the second miming face had shorter weighting steps,larger ground pressure strength and more obvious strata behaviors compared with the normal working face,and loads of front and rear pillars were unbalanced,and there was a smaller support working resistance and more serious rib spalling when passing through the roof falling zone compared with normal zone.

old mine,second mining,strata behavior,working resistance

TD323

A

张勇(1983－),男,山西榆社人,讲师,硕士研究生,主要从事采矿工程方面教学研究工作。

(责任编辑 张毅玲)

张勇.老旧矿井复采工作面矿压显现规律研究[J].中国煤炭,2017,43(1):64－66,88. Zhang Yong.Study on strata behavior regularity of second miming face in old mine[J].China Coal,2017,43(1): 64－66,88.