大采高综采工作面采场上覆岩层运移规律研究

2019-06-19武瑾

煤矿现代化 2019年4期

武瑾

（山西汾西宜兴煤业有限责任公司，山西孝义 032300）

0 引言

煤层厚度在7m以下的厚煤层在我国大量存在，针对与这些厚煤层，主要采用放顶煤开采、分层开采以及一次采全高三种采煤方法[1～3]。其中分层开采由于其安全性差，采煤效率低，目前已逐渐被淘汰，我国主要用到的开采方法为大采高和放顶煤开采两种方式，大采高的采煤方法较放顶煤开采方法优势较为明显，采煤效率高，资源利用率高，因此大采高技术已经逐渐成为我国厚煤层煤炭开采中主要使用的开采技术之一[4～5]。但是随着对生产技术的要求越来越高，大采高技术也在生产实践中受到了许多的制约因素[6]。本文以苏家沟煤矿4101大采高综采工作面为研究背景，采取理论分析以及现场观测等方法，研究大采高综采工作面采场顶板运移规律，从而对现场生产进行指导。

1 工程概况

苏家沟煤矿有限责任公司位于鄂尔多斯市达拉特旗，在朝脑沟以西，罕台川以东于独贵沟处区域。苏家沟煤矿4101工作面开采煤层为4-2中煤层，倾角平均为2°，属于平缓型煤层，厚度为3.15-5.02m左右，平均煤层厚度4.5m，属于较稳定的煤层，煤层结构条件比较简单，煤层内不含有夹矸或者某些部分夹杂夹矸0～1层，夹矸的最大厚度达到0.18m。该工作面的煤层地质构造条件比较简单，工作面上部不存在伪顶，直接顶的岩性为细砂岩，其厚度范围大约为 1.6～11.68m；直接底为层状泥岩，厚度1.65～7.75m。4101工作面内的煤层埋藏深度范围大约为30～100m，最薄处在停采线附近位置，煤层的埋深较浅大约为30m。

2 采场顶板分类

2.1 直接顶的分类

根据工作面在开采的过程中直接顶表现出的稳定性的程度来对工作面的直接顶进行分类。共可以分为4类。其中1类又分为2个亚类。类别代号及名称见表1。

表1 直接顶的划分

根据在现场观测到的本煤层的直接顶的实际的初次垮落步距，结合公式（1）求出垮落步距的平均值，进而确定直接顶属于哪个类别。

式中：lri为已开采煤层的工作面直接顶的实际的垮落步距；n为同一层煤层中已经开采的工作面的个数，通常该值小于3个。

4101工作面作为4-2中煤层的首采工作面，应按照未采煤层进行推测，其方法大概可以概括为：首先需要根据与4-2中煤层地质结构条件相近似的相邻煤层的综合弱化常量以及钻孔取芯的试验，来确定直接顶的单轴抗压强度以及直接顶下位岩层的分层厚度，并按式子（2）计算出直接顶的初次垮落步距，再结合上表2确定直接顶的类别。

表2 直接顶的划分基本指标参考区间

在同一层煤层中根据已经开采的工作面的直接顶的垮落步距来推算未开采工作面的直接顶垮落步距。当观测到4-2中煤层中的某个工作面的直接项初次垮落步距lr1（根据现场实测4-2煤的一个工作面直接顶的初次跨落步距约为12m），可以根据式子式（2）计算出综合弱化常量。再结合式子（3）对该煤层中的其他工作面直接顶初次垮落步距lri进行推算，然后根据上表2确定其直接顶属于哪个类别。

式中：Rc1为已开采工作面的单轴抗压强度（由煤岩的物理力学参数试验可以得知Rc1=22.19），MPa；ho1为已开采工作面的直接顶的分层厚度（根据实测结果可知ho1=0.6），m；Rci为某个未开采工作面的单轴抗压强度，MPa；hoi—某个未开采工作面的直接顶的分层厚度，m。

根据计算结果查表可知，该矿4-2煤直接顶属于2类岩石，即为中等稳定岩石，直接顶易跨落，跨落步距较短。

2.2 基本顶的分类

与直接顶分类相一致，基本顶分级的基本方法仍然按照1996年经原煤炭工业部批准颁布的“缓倾斜的煤层工作面顶板分类”行业标准进行。其分级方法如下：

基本顶可以根据工作面来压期间其压力的显现程度分为四个等级。其中，IV级又分为两个亚级。级别名称和代号见表3。

表3 基本顶的划分

基本顶的初次来压当量（Pr）作为基本顶的分级指标，其值主要由基本顶的初次来压步距（Lf），直接顶的充填系数（N）和煤层采高（hm）这三个数据按式（4）进行确定。

式中：Pr为基本顶初次来压当量，kN/m2；H为直接顶的厚度（根据苏家沟矿方提供的相关资料4-2煤直接顶的平均厚度约为3.8m），m；hm为煤层的采高（根据苏家沟矿方提供的相关资料4-2煤的采高为4.5m）。N—N为直接顶厚度与煤层采高之比。

将其带入式（4），可得4101工作面基本顶初次来压当量Pr=765。

表3 基本顶分级指标

根据计算结果，再查上表3可以得知，该矿4-2煤的基本顶属于Ⅰ级，即表示基本顶在来压期间压力显现不明显。

3 4101工作面顶板运移规律现场实测

针对综放4101首采面的实际开采情况，深基点孔口安设在工作面回风巷距开切眼60m和80m处2个测站中，每个测站布置4个钻孔，每个钻孔中安设一个锚爪深基点，利用深基点跟踪法对顶煤和顶板变形和运移情况进行观测，钻孔布置如图1所示。

图1 钻孔布置图

图2 基点随工作面推进的运移实测规律

图2 为钻孔基点随工作面推进的运移规律图，从图中可以看出，当工作面推进至距几点位置大约10m时，工作面顶板开始发生运移，运移速率逐渐增大，基本顶中布置的两基点运移情况基本一致。当工作面推过基点大约15m后，工作面顶板运移量急剧增大，达到最大位移量，由于深部基点与浅部基点位移量大致相等，因此可判断工作面顶板并未出现离层现象。