特厚煤层综放开采覆岩结构及矿压显现特征分析

2019-03-21李松茂

煤 2019年3期

李松茂

(大同煤矿集团铁峰煤业公司增子坊煤矿，山西大同 037000)

随着科学技术的不断进步，煤矿开采逐步朝着综合机械化的方向发展，针对特厚煤层，主要有三种开采方法，分别为综合机械化放顶煤开采、一次采全高开采以及分层开采[1-2]。其中分层开采由于其弊端较多，已经被逐渐淘汰，目前多采用综合机械化放顶煤开采以及一次采全高开采，且两种方法各有优点[3]。综合机械化放顶煤开采有着开采效率高、采出率大、工作面推进快的优点，但这种开采方法往往顶板活动方式更剧烈，使得顶板结构产生一定的变化，因此对特厚煤层综放开采的顶板结构和矿压显现特征进行研究，对工作面实现安全生产有着重大的意义[4-5]。

1 工程背景

大同煤矿集团铁峰煤业公司增子坊煤矿5300工作面，当前主采煤层为5号煤，煤层厚度为9.50～12.73 m，平均11.5 m，煤层倾角为0～5°，平均3°，属于近水平煤层，在工作面开采范围内，煤层赋存较为稳定，厚度变化较小。工作面地表标高为1 432～1 413 m，工作面标高为1 309.3～1 247 m，平均埋深为150 m。工作面倾斜长度为150 m，推进长度平均为1 314 m，采用综合机械化放顶煤开采方式，采高为3.2 m，放煤高度为8.3 m。5300工作面布置ZF9000/18/35型低位放顶煤液压支架96架，ZFG10000/23/37H型过渡液压支架7架，并布置一组ZTZ16000/21/35F型端头支架，维护胶带巷与工作面交汇处的顶板。工作面顶底板柱状，如图1所示。

图1 顶底板综合柱状

2 工作面顶板结构分析

在工作面采场的顶板岩层中，存在有对部分或者整个岩层进行支承的完整岩层，此类岩层通常称为关键岩层。工作面顶板的关键岩层，对矿压的显现起着主导性的作用，关键层一般须满足以下两个条件：

1) 变形条件。即该岩层发生变形时，其挠度变形大小要小于位于该岩层下部的岩层，通常其下部岩层会与该岩层出现离层现象，用公式表达为：

q1/n+1

(1)

(2)

式中：q1/n+1为第n+1层岩层对第一层岩层的载荷，MPa；q1/n为第n层岩层对第一层岩层的载荷，MPa；Ei为第i层岩层的弹性模量，MPa；hi为第i层岩层的厚度，m；γi为第i层岩层的容重，kN/m3。

2) 强度条件。即当该岩层为关键层时，其下方岩层发生垮落的步距要小于该岩层。一般将岩层按照固支梁进行计算，得岩层垮落步距的计算公式为：

(3)

式中：li为第i层岩层的垮落步距，m；σi为第i层岩层的抗拉强度，MPa。

5300工作面顶板岩层主要有2层，分别为直接顶的砂质泥岩和基本顶的粗砂岩，将煤层上方直接顶视为第一层岩层，砂质泥岩容重为2.2×103kN/m3，弹性模量为1.2×103MPa，抗拉强度为2.7 MPa；粗砂岩容重为2.4×103kN/m3，弹性模量为2.9×103MPa，抗拉强度为5.1 MPa，对各岩层的载荷及垮落步距进行计算，得q1=19.78 MPa，q1/2=1.57 MPa；l1=4.4 m，l2=54.9 m，因q1/2l1，即可判定煤层上方基本顶粗砂岩为关键层。

由于工作面采用放顶煤开采方式，结合现场顶板岩层分布情况，在放落工作面顶煤后，直接顶会跟随发生垮落充填采空区，而基本顶岩层以铰结岩梁的结构存在，当其发生破断时，会造成工作面的来压，由于其厚度较大，其垮落方式呈现分层垮落的情况，易因为工作面来压步距大，在发生来压时出现矿压显现剧烈的情况。因此有必要对该工作面采场的矿压显现特征进行监测，从而在工作面发生来压时采取有效的措施，对顶板进行管理。

3 工作面矿压显现特征分析

3.1 矿压观测方法

为了解特厚煤层综放开采工作面开采过程的矿压显现特征，在5300工作面自开切眼开始推进200 m范围内，采用GPD60型煤矿顶板动态监测系统的综采支架工作阻力监测子系统，对液压支架的工作阻力进行监测记录，从而分析其矿压规律。

将安装在液压支架上的压力分机所测的压力值，通过数据线传输到地面计算机系统进行数据分析，实现连续不间断在线监控。在工作面设20个压力分点，从5号支架开始安设，安设位置分别在5号、10号、15号、20号、25号、30号、35号、40号、55号、60号、65号、70号、85号、90号、94号、99号、102号支架上。另在未安装自动监测系统的支架上安装数显压力表，对前柱、后柱的阻力变化情况进行监测，保证支架的工作状况良好。

监测系统采用分析软件对工作面支架压力的监测数据进行分析，主要包括工作面支架循环工作阻力和工作面初次来压、周期来压步距、强度等，以此确定综采工作面顶板的活动规律，预测顶板来压的规律和强度，以便采取合理的推进速度和方式，保证工作面内设备和人员的安全，提高生产效率。

3.2 采场矿压规律分析

通过对工作面液压支架工作阻力数据的采集，将采集到的支架工作阻力进行汇总分析，得到工作面液压支架平均工作阻力与推进距离的关系，如图2所示。

从图2可以看出，工作面自开切眼开始正常推进过程中，液压支架的平均工作阻力分布在5 000～5 700 kN之间，当工作面推进至31.6 m时，液压支架的工作阻力突然增大，此时平均工作阻力达到7 000 kN左右，在继续向前推进3～5 m后平均工作阻力明显降低，恢复至正常推进水平。随着工作面继续推进至200 m的范围，工作面液压支架平均工作组力共出现过6次明显增大的情况，其对应的工作面推进距离分别为56.2 m、82.3 m、106.9 m、131.2 m、157.1 m、184.2 m，其持续距离在4～6 m范围内，液压支架平均工作阻力分布在6 900～7 500 kN。

图2 液压支架平均工作阻力曲线

由此得出，工作面的初次来压步距约为31.6 m，周期来压步距平均为25.4 m，工作面正常推进中，液压支架的平均工作阻力约为5 300 kN，当工作面发生来压时，液压支架的平均工作阻力约为7 250 kN，动载系数约为1.39，其来压强度较大。工作面液压支架型号为ZF9000/18/35型，其最大工作阻力为9 000 kN，因此工作面发生来压时未超过液压支架的承受能力，可满足工作面的正常推进。