深部巨厚顶板6 m大采高综采工作面矿压显现规律实测研究

2019-11-25王业征李正杰刘阳军吴修光

中国煤炭 2019年10期

王业征李正杰徐刚刘阳军吴修光

(1.内蒙古伊泰集团有限公司红庆河煤矿，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017000；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013)

大采高一次采全厚综采技术已经成为我国厚煤层安全高效回采的重要方法[1-2]。近年来，我国在鄂尔多斯地区浅埋厚煤层大采高综采技术方面进行了很多成功的探索和实践应用[3-7]，尤其是神东公司，如上湾煤矿12206工作面6.8 m大采高综采、补连塔煤矿22303工作面7 m大采高综采、补连塔煤矿8 m大采高综采以及上湾煤矿1-2煤层四盘区8.8 m大采高综采等，均取得了良好的经济效益和社会效益。对于鄂尔多斯地区深部厚煤层而言，大采高综采技术的实践应用也开始逐渐增多[8-13]，尤其是新街及呼吉尔特矿区，如伊泰集团的红庆河煤矿、鄂能化公司的石拉乌素和营盘壕煤矿、中天合创公司的门克庆和葫芦素煤矿、淄矿集团的巴彦高勒煤矿以及中煤能源公司的母杜柴登煤矿、蒙大煤矿和纳林河二号井等普遍采用大采高综采技术，埋深一般为600～700 m，采高为4.5～6.0 m。可见，大采高综采技术在鄂尔多斯地区深部厚煤层中已成为实现矿井高产高效的主流开采方式。但由于该地区深部厚煤层开发时间短，深部大采高综采工作面的矿压显现规律目前缺乏系统性研究，在实际回采过程中，大采高工作面表现出了强烈的矿压显现，甚至部分矿井回采巷道受采动影响屡次发生冲击地压灾害[14-15]，严重威胁井下作业人员安全及矿井的可持续发展。因此，有必要针对深部厚煤层大采高综采工作面进行矿压显现规律研究。本文以红庆河煤矿深部6 m厚煤层为研究对象，开展了深部6 m大采高综采工作面矿压显现规律的实测研究，研究成果为红庆河煤矿大采高采场安全高效回采提供实测依据，并为鄂尔多斯深部厚煤层开发提供实践参考。

1 工作面开采条件

红庆河煤矿隶属东胜煤田新街矿区，开采侏罗系中下统延安组3-1煤层，埋藏深度583.6～861.9 m，平均为718.6 m，煤层可采厚度0.80～8.45 m，平均为6.14m，煤层倾角1°～3°，可采面积为181.06 km2。红庆河煤矿3-1煤层瓦斯含量特低，但煤尘具有爆炸性，煤层自燃倾向性为Ⅰ级(容易自燃)。3-1煤层单轴抗压强度为23.9～29.3 MPa，平均为26.7 MPa，煤层为中硬以上；直接顶砂质泥岩单轴抗压强度平均为24.7 MPa，基本顶中粒砂岩单轴抗压强度平均为21.9 MPa，直接顶及基本顶岩石强度不高。

3-1401工作面为矿井北翼首个大采高综采工作面，主采3-1煤层，工作面可采走向长度2942 m，倾斜长度241 m，煤层平均厚度为6.23 m，煤层倾角1°～3°，工作面可采储量525.89万t。3-1401工作面采用“两进一回”巷道布置方式，分别为3-1401工作面回风巷、3-1401工作面胶运巷以及3-1402工作面辅运巷，工作面煤层综合柱状图及平面布置图见图1和图2。

图1 煤层综合柱状图

图2 工作面平面布置图

采煤方法为大采高一次采全厚综合机械化开采，最大采高6.5 m，截深0.865 m。采用全部垮落法管理顶板，工作面中部支架为ZY15000/33/67D型掩护式液压支架，回风巷采用4部ZZ10000/22/44垛式支架超前支护，胶运巷采用ZT16000/29/50共2组自移支架进行超前支护，支护长度20m。

2 6 m大采高综采工作面矿压显现规律分析

2.1 矿压监测设备布置

工作面共142组液压支架，其中，KJ21矿压监测系统安装在机头1#、10#、20#、30#、40#、50#、60#、70#、80#、90#、100#、110#、120#、130#支架和机尾140#支架上。此外，回风巷4部ZZ10000/22/44型垛式支架、胶运巷2部ZT16000/29/50型超前支架均安装1部CDW-60R型超前支架压力记录仪进行矿压监测。

2.2 工作面初次来压

6 m大采高综采工作面切眼采用了水力压裂法对采帮侧顶板进行预裂处理。初采期间，通过矿压监测系统对支架压力进行了实时监测，矿压数据分析结果如图3和表1所示。工作面推进至48～60 m(不含切眼)期间(对应时间2017年3月23-24日)，仅局部支架压力达到初次来压判据，为初次来压前兆期；工作面推进至75 m(对应时间2017年3月26日)时发生大面积来压，工作面中部多数支架安全阀开启卸压，来压强烈区域支架循环末阻力为13514～14879 kN，平均为14440 kN，占支架额定阻力的96.3%，动载系数平均1.23，来压显著。

图3 工作面初采期间循环末阻力曲线

表1 初次来压期间支架循环末阻力及动载系数统计

2.3 快速推进时周期来压规律

2.3.1 工作面生产情况

统计1个月的生产情况作为基准，工作面采高基本控制在5.8～6.1 m之间，平均为5.9 m，采高较稳定；日推进度5.6～12.8 m，平均为9.5 m，基本保持均衡、快速推进，如图4所示；产量平均为19410 t/d，达到高产高效的生产状态。

2.3.2 工作面周期来压

通过矿压数据分析并结合现场宏观矿压现象，大采高综采工作面来压规律统计见表2。工作面周期来压步距为12.8～28.2 m，平均为21.1 m；来压时支架循环末阻力为14508～14752 kN，平均为14641 kN，占支架额定工作阻力的97.6%，动载系数平均为1.32。深部大采高综采工作面周期来压时矿压显现强烈，支架安全阀频繁开启卸压，增阻速率大，达到114～454 kN/min，如图5所示。

2.4 推进速度慢时周期来压规律

2.4.1 工作面生产情况

同理，统计1个月的生产情况作为基准，该工作面采高平均为5.9 m，采高一致；日推进度为0～8 m，平均为3.4 m，推进缓慢，如图6所示。

图4 大采高工作面2017年5月日推进度统计

表2 工作面周期来压情况统计

2.4.2 工作面周期来压

同样，通过矿压数据分析得出，6 m大采高综采工作面1月份推进速度较慢时，工作面周期来压步距为9.6～23.2 m，平均为15.8 m；来压时支架安全阀频繁开启卸压，支架循环末阻力及增阻速率与工作面快速推进时相当，动载系数平均为1.24。

工作面推进速度与周期来压步距、动载系数呈正相关关系，推进速度由9.5 m/d减小至3.4 m/d时，周期来压步距由21.1 m降低至15.8 m，降幅达25.1%。由于不同推进速度条件下周期来压时支架安全阀均达到开启卸压状态，即循环末阻力值相当，因此，不能判断推进速度对来压强度的影响关系，但工作面推进速度加快，来压动载系数反而增大，这是由于推进速度快时有利于缓解非来压期间的矿压强度。

图5 大采高综采工作面在2017年5月11日支架工作阻力变化曲线

图6 大采高工作面2018年1月日推进度统计

3 巷道矿压显现规律分析

3.1 巷道监测设备布置

3.1.1 采动应力监测方案

采用KSE-III型煤体应力在线监测系统对3-1401工作面胶运巷以及3-1402辅运巷的采动应力进行实时监测，分析工作面超前和侧向支承压力分布规律。

采动应力监测共布置3组测站：

第一测站：在3-1401工作面胶运巷实体煤帮安装4部钻孔应力计，间距5 m，安装深度为5 m、20 m，用于工作面超前应力监测；

第二、三测站：分别在3-1401工作面胶运巷煤柱帮、3-1402辅运巷煤柱帮各安装6部钻孔应力计，间距均为5 m，安装深度为5 m、7 m、9 m、11 m、15 m、20 m，对工作面煤柱侧向应力进行监测。

应力监测测站布置如图7所示。

图7 采动应力测站布置方案

3.1.2 锚杆(索)受力及顶板离层监测方案

在两巷距切眼960 m、1060 m处各安装2组KJ21-F1矿用本安型监测分站，每组分站包括锚杆锚索测力计和顶板离层仪，编号为：测点1-1、测点1-2、测点2-1、测点2-2，如图8所示，实时监测巷道受采动影响下顶板离层、顶和帮锚杆(锚索)受力变化规律，从而对围岩稳定性进行评价。

图8 巷顶板离层与锚杆锚索受力监测设备布置

3.2 采动应力监测

通过对第一测站监测数据进行分析，得出各测点应力分布特征如图9和表3所示。工作面超前支承压力影响范围约110 m，应力显著变化区超前工作面55.4 m，应力峰值位于工作面前方20 m，应力集中系数1.51。根据煤体承载性能及应力分布特点，将超前支承压力影响范围分为以下3个区域。

(1)超前工作面0～20 m范围属于应力衰减区。此区域内煤体经历超前支承压力峰值并达到强度极限，煤体完整性遭到破坏，产生塑性屈服，承载能力大大降低，应力向前方煤体转移。

(2)超前工作面20～55 m范围属于应力急剧升高区。此区域内应力显著增加，应力峰值为初始应力的1.51倍。

(3)超前工作面55～110 m范围属于应力缓慢升高区。此区域超前压力逐渐显现。

同样，通过对第二测站、第三测站的监测数据进行分析，得出各测点应力分布特征如表4和图10所示。第二测站靠近工作面的钻孔应力计受超前应力影响大，超前支承压力影响范围达100 m以上，在煤柱内部远离工作面的测点受超前应力影响范围逐渐减小至38～60 m。各测点侧向应力峰值均位于采空区后方，表明大采高综采工作面两端头顶板倾向破坏具有滞后性。此外，应力集中系数向煤柱中部逐渐降低，呈现双峰状，中间20 m位置甚至不出现应力集中，说明在40 m煤柱中部存在弹性核区，弹性核宽度为11 m。

图9 工作面超前应力变化曲线

表3 第一测站钻孔应力计观测数据统计

表4 第二、三测站钻孔应力计观测数据统计

图10 40 m区段煤柱侧向应力集中系数分布

3.3 锚杆锚索受力及顶板离层监测

3-1402辅运巷顶板锚杆(索)受力及顶板离层变化曲线如图11所示。

图11 3-1402辅运巷顶板锚杆(索)受力及顶板离层变化曲线

辅运巷顶板锚杆受力在工作面前方时不显著，在工作面后方逐步增加，采空区后方684 m达到稳定值；顶板锚索受力在工作面推过该安装位置后逐步增加，至采空区后方约600 m达到最大稳定值。辅运巷里程2050 m位置顶板离层深基点和浅基点位移由零同步增加，最大离层量1 mm，表明顶板整体性较好。辅运巷里程2150 m位置顶板离层基本从工作面推至测点位置开始，由零逐步增加，8月22日到10月2日受顶板活动影响浅位基点变化剧烈，至采空区后方677 m之后基本保持稳定，离层量累计5 mm，总离层量不大。

从锚杆锚索受力及顶板离层变化曲线可知，工作面前方辅运巷受开采影响较小，主要受采空区侧向覆岩运动影响，在采空区后方600 m顶板活动基本稳定。

3.4 采场覆岩活动立体模型

根据工作面及巷道矿压显现规律实测分析，以超前应力、侧向应力、锚杆锚索受力及顶板离层量为参量，建立深部大采高采场覆岩活动立体模型，如图12所示。走向方向覆岩活动从工作面前方110 m至后方600 m范围，采动应力呈“单峰”状，依次从原岩应力区过渡到应力升高区、应力峰值区，再到应力降低区，最后随采空区顶板活动稳定而达到应力稳定状态；外围巷道支护体受力及顶板离层在采空区后方呈负对数函数关系，从工作面开始负向递增至采空区后方600 m达到稳定。侧向方向煤柱内受覆岩活动影响，煤体侧向应力呈“双峰”状，中部存有弹性核区。覆岩活动立体模型对于工作面超前支护、区段煤柱留设、外围巷道维护以及工作面顶板安全管理都具有指导意义。