大采高综放工作面覆岩失稳及顶板来压规律研究

2018-03-04孟俊杰

山西冶金 2018年6期

孟俊杰

（山西焦煤五人小组管理局汾西矿业监管分局，山西介休 032000）

20世纪80年代以来，针对3.5 m以上的厚及特厚煤层，我国各矿区逐渐发展并形成了分层开采、放顶煤开采及大采高一次采全高等开采技术。进入21世纪以来，部分学者针对7 m以上的厚煤层，以利用大采高综采技术和综采放顶煤技术各自的优点、摈弃各自缺点为宗旨，提出了大采高综放开采的概念，即工作面采煤机割煤厚度在3.5 m以上的综合机械化放顶煤开采[1-3]。然而，大采高综放开采由于一次采煤厚度较大，又会产生工作面覆岩运移规律、采场支架—围岩系统可靠性发生变化、采场矿压显现加剧等不利因素。本文即针对某矿8107大采高综放工作面的一次严重的来压过程进行研究分析，并制定出针对有效的矿压防治措施。

1 现场调研及工程概况

8107工作面主采3—5号煤层，工作面平均赋存深度（距离地面）471 m，煤层平均厚度17 m，去除平均约1.7 m的6层夹矸，实际煤层厚度约15.3 m，煤层平均倾角2°，工作面走向长度1 700 m，倾斜长度200 m。本工作面采用走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤开采的采煤方法，ZF15000/27.5/42型液压支架支护顶板，采高为3.9 m，放煤厚度11.42 m，采放比约为1.00∶2.93，循环进度、放煤步距都为0.8 m，顶板管理采用自然垮落法。8107工作面为一进二回三巷布置，三条巷道相互平行且与盘区三条大巷呈88°，其中2107巷、5107巷沿3号～5号煤层底板布置，8107顶回风巷沿3号～5号煤层顶板稳定岩层开掘。工作面直接顶为平均厚度3.64 m的粗砂岩，老顶为平均厚度3 m的粉细砂岩、中砂岩及含砾粗砂岩，直接底为平均厚度1.16 m的炭质泥岩。

据现场矿压观测记录显示，本工作面于机头推进至696.5 m、机尾推进至694.2 m时工作面开始来压，为本工作面第30次周期来压，距上次来压步距为34.8 m。本次周期来压总计影响14 d，处理来压期间工作面共推进了12个循环，机头推进了6.2 m、机尾推进了10 m，平均推进了8.1 m。本次来压强度大、影响程度大、处理难度大，工作面大部分支架出现明显增阻，安全阀大范围开启，煤壁多点片帮，工作面底板大范围鼓起。开始主要在70号～80号支架机道漏下大块矸石，35号～70号主要是顶煤破碎，之后从40号～70号支架多处出现了机道漏下大块矸石，漏顶现场情况如图1、图2所示。

图1 工作面冒落大块矸石

2 覆岩活动规律及顶板失稳分析

采掘空间开挖前，原岩应力处于平衡状态，随着采掘工作的进行，矿体开挖后原岩应力平衡状态破坏，应力重新分布，其上覆岩层活动规律及采场空间的应力环境极为复杂。同厚煤层分层开采工作面相比，大采高开采最大的不同之处在于由于采高的成倍增加，煤体采出后形成的采空区空间也大幅度增加，因而需要更大厚度的直接顶冒落来充填采空区，故原本能在一定程度上发生弯曲下沉、断裂挤压后形成平衡砌体梁结构的老顶亚关键层，由于无法触矸而发生较大程度的下沉并失稳，直至作为直接顶板垮落到采空区内。总的来说，大采高综放工作面最宏观的覆岩变化特征是垮落带高度增大，裂缝带高度继续向上发展，直至在更高的关键层形成平衡结构[4-6]。

图2 工作面大范围冒顶片帮

分析顶板失稳原因，砂岩顶板累计厚度大，开采后采空区顶板不易自然垮落，悬顶面积大，是导致工作面压力显现强烈的主要原因。工作面底煤厚、底煤软，直接底为炭质泥岩和高岭质泥岩抗压强度小，是底鼓的主要原因。工作面煤层为复合层煤层，煤层结构复杂，煤层中还有4～6层夹矸，煤层赋存呈波浪状，机采范围内的顶体疏软，煤壁疏而支撑力小，易出现机道随机顶煤垮落和煤体片帮，导致支架接顶不实初撑力低，当工作面周期来压时，顶煤和顶板会超前煤壁而断裂、离层、破碎，增大了端面煤岩体控制难度。

3 工作面来压应对措施及预防措施

当工作面来压时，必须加强工作面的矿压管理，首先确保支架初撑力（25 MPa）以上，将支架前移到位，支架升紧，以防压力影响范围扩大。工作面顶煤破碎区域，相邻支架上下和左右不能有明显的错差，以防架间出现大量漏煤。机道顶煤破碎区域必须将支架移到位，升紧前探梁，伸出前伸梁将大块煤矸背住，以防机道顶煤大量漏下造成漏顶。工作面片帮的地点，将支架二次超前移架，伸出前伸梁，打开护帮板；片帮深大的地方，前伸梁全部伸出后还顶不住煤帮，将护帮板升平护住机道顶板。降架时要少降快拉擦顶前移，控制住机道顶煤，以防机道顶煤大量漏下造成漏顶和漏顶扩大。顶煤破碎和片帮处注入巴斯夫、永固S等煤体加固剂进行提前固化。

为预防工作面来压造成较大影响及事故，必须加强工作面工程质量的管理，保证“三直两平两畅通”；工作面采高严格控制在3.9 m±0.1 m范围内，以防采高过低，来压时支架受压下沉、底鼓而出现“死架”、采煤机通过空间不够。加强支架初撑力的管理，保证支架初撑力达到25 MPa以上，使所有支架承受压力均匀分布，可有效地防止出现压力集中区域而底鼓、顶板断裂下沉、机道片帮加大等来压显现。工作面有片帮加大、机道顶煤破碎、支架压力表增阻、支架立柱下沉、支架立柱安全阀开启、工作面底板高低不平、支架有歪斜等来压征兆时，要少放煤或不放煤快速推进通过。加强矿压观察和监测，做好来压预报工作。要按照已定方案支好木垛、打好卸压孔、顶板补强锚索工字钢梁和支好超前单体支柱。加强机电设备的检修，保证设备能正常运转，以避免设备出现事故影响工作面正常推进。