泉店煤矿薄基岩厚度影响顶板变形特征探究

2020-10-27曹广远刘超郏慧慧

科学与财富 2020年24期

曹广远刘超郏慧慧

摘要：为了获得薄基岩厚度与煤层开采顶底板变形规律的关系，以河南泉店煤矿二1-14020工作面为研究对象，对工作面上、下顺槽的移进量进行了现场实测。结果表明：（1）最大顶底板移进量和最大两帮移进量整体水平上随基岩厚度增加而减小，但最大两帮移进量整体变化不如最大顶底板移进量整体变化明显。（2）顶底板移进量平均增长率和两帮移进量平均增长率总体随基岩厚度增加而减小，同时推测在一定基岩厚度区间内，埋深是影响移进量平均增长率的因素之一，且移进量平均增长率与埋深呈正相关关系。（3）基岩厚度大，开采影响范围相对较小。

关键词：移进量;影响范围;基岩厚度

1 引言

我国是煤炭大国，赋存着丰富的薄基岩煤炭资源。薄基岩煤层开采通常极易产生严重的巷道变形和形成剧烈矿山压力。现今已有诸多理论或假说如砌体梁假说[1]和关键层理论[2]来解释煤层开采的覆岩活动。薄基岩煤层因其不一定具有承载强度的岩層结构，采煤工作面开采后，覆岩活动更加复杂，研究和掌握覆岩移动变形规律对采场和巷道支护、地表构筑物保护等具有重要意义[3-7]。本文以河南泉店煤矿二1-14020工作面为工程背景，围绕基岩厚度变化，对薄基岩煤层顶底板变形进行分析，研究基岩厚度与顶底板及两帮移进关系，以期为顺槽的巷道支护设计提供一定的依据和指导。

2 工程背景

泉店煤矿14采区位于泉店煤矿西部，二1煤层露头带从西向东延伸，煤层覆岩厚度从北向南逐渐变厚，形成新近系含水层下压煤。14采区地面标高为+114.9～+118.2m，井下标高为-343.1～-218.5m。地面对应区域西部为新集和李素庄，东部为泉店村，二1煤层露头带从西向东延伸，煤层覆岩厚度从北向南逐渐变厚，形成新近系含水层下压煤。14020工作面位于14采区北侧靠近露头带二1煤层厚度2.13～7.2m，埋深297～450m，煤层上覆基岩厚度28～120m，煤系为厚层新生界松散层覆盖。14020工作面北侧紧邻二1煤层露头，煤层上部覆盖基岩厚度0～120m，其中浅部30～40m为风化带。煤系上部为新近系、第四系所覆盖。本采面回采二叠系下统山西组下部的二1煤层，采面上顺槽长度1209m（平距），下顺槽长度1248m（平距），采面东侧切眼长130m，上巷在掘进到S13点以西40m以外至于西切眼工作面长度56.7m（平距）。研究区工作面基岩等厚线如图1。

二1-14020工作面使用自由垮落法管理顶板，局部铺顶网。2018年底已试采约300m，至2019年2月中旬已开推采距离切眼约495m，其中2019年2月中旬至3月中旬停采，2019年3月中旬继续开采。本次顶底板移进量检测点布置范围在上顺槽565-1165m尺点范围内，下顺槽465-1165m尺点范围，每隔50m布置。

3 覆岩变形规律分析

本工作面停采线如图1所示，其中上顺槽停采位置距离切眼约800m，下顺槽停采位置距离切眼约820m。上、下顺槽内分别每隔50m设置1个测点，主要观测上、下顺槽各测点顶底板及两帮随工作面推进过程的移进量变化，监测数据截止到上顺槽推进至783.5m，下顺槽推进至801.3m。

3.1 最大移进量变化规律

根据已取得的监测点移进量数据，上、下顺槽的最大顶底板移进量及最大两帮移进量分别如图2、图3所示。

由图可知，最大两帮移进量整体水平总体比最大顶底板移进量稍大。此外除下顺槽最大移进量在815m处远高于附近位置外，上、下顺槽在865m以外最大顶底板移进量及最大两帮移进量均处于低水平状态，反映了未开采区域受开采影响较小，而在开采区域内（上顺槽783.5m以内，下顺槽801.3m以内），上、下顺槽的最大顶底板移进量和最大两帮移进量均相对处于较高水平。

同时在开采区域内，上顺槽565～665m基岩厚度在48～58m之间，低于附近64m的平均厚度，下顺槽465～565m基岩厚度在68～102之间，低于附近118m的平均厚度，因此从图中可看出在开采区域内，最大顶底板移进量整体水平随基岩厚度增加有降低的趋势，上顺槽最大两帮移进量整体水平随基岩厚度变化不明显。

为方便和进一步分析上、下顺槽最大移进量变化规律，分别绘制如图4、图5所示的565-815m之间上、下顺槽最大顶底板移进量及基岩厚度变化和最大两帮移进量及基岩厚度。由图可知该范围内，上、下顺槽基岩厚度变化均较平缓，且上顺槽基岩厚度低于下顺槽基岩厚度，而在最大顶底板移进量整体水平上，则基岩厚度相对薄的上顺槽有更高的移进水平;在最大两帮移进量整体水平上存在与最大顶底板移进量相似的规律，但不如其明显。

3.2 移进量变化速度

根据开采范围内各个测点位置移进量随开采推进过程变化的监测数据，各测点顶底板移进量变化如图6和图7。

由图6和图7可直观地看出不同位置的顶底板移进量在开采推进过程中，其增长趋势和最大值各不相同，两帮移进量变化与其类似，此处不再单独作图。

为更加清晰、具体地分析移进量变化规律，在此以平均增长率（最大移进量与移进量初始变化值的差值除以期间的开采距离）为指标探讨移进量变化规律。对上、下顺槽各测点基岩厚度与移进量平均增长率一一对应，如表1所示，并根据表1分别绘制顶底板移进量和两帮移进量平均增长率与基岩厚度关系，如图8、图9。

由图可以直观地看出上顺槽或下顺槽顶底板移进量平均增长率和两帮移进量平均增长率均随基岩厚度的增加有减小的趋势，两者呈负相关关系（图中短划线与点划线）。将上、下顺槽数据结合可以看出，顶底板移进量平均增长率和两帮移进量平均增长率随基岩厚度增加均出现先降低后升高再降低的趋势（图中长划线），从表1中下顺槽的个别数据与上顺槽数据对比也表现出这种趋势，但总体上仍有随基岩厚度增加而减小的趋势。考虑到监测区域下顺槽埋深比上顺槽埋深平均大45m左右，因此推测在一定基岩厚度范围内，埋深是造成移进量平均增长率趋势产生变化的原因，且移进量平均增长率与埋深呈正相关关系。

3.3 开采影响范围

本次监测数据截止到上顺槽推进至783.5m，下顺槽推进至801.3m，非停采线位置，故影响范围以上顺槽783.5m为界，下顺槽以801.3m为界，因此主要以开采区域外的监测数据为研究对象。下图为上、下顺槽开采区域外测点位置移进量随开采推进的变化趋势。

根据各测点移进量变化图可以直观地看到上顺槽从735m推进到783.5m期间，815m和865m测点处的顶底板及两帮移进量明显增加，915m处测点的顶底板移进量明显增加，两帮移进量也明显增加，但增加量不大，而915m之后测点的移进量变化基本维持不变，因而截止到推进至783.5m时，从数据上来看上顺槽的影响范围在783.5m到915m约130m的距离。同样，下顺槽从750m推进到800m期间，815m和865m测点位置的顶底板及两帮移进量明显增加，而其他测点位置的移进量基本维持不变，下顺槽的影响范围在801.3m到865m约65m的距离。

在此需要指出的是，测点每50m布置，因此具体的影响范围并不确定，此处的数据只能用作定性分析影响范围的大小。结合上、下顺槽以上测点位置的基岩厚度，可以明显看到上顺槽该区域基岩厚度约65m，下顺槽对应区域的基岩厚度约130m。由此可发现基岩厚度大，开采影响范围相对较小。

4 结论

通过以河南泉店煤矿二1-14020工作面为研究对象，对工作面上、下顺槽的移进量实测数据分析，主要得到以下结论。

（1）煤层开采推进过程中，顺槽最大顶底板移进量和最大两帮移进量整体水平上随基岩厚度增加而减小。

（2）顶底板移进量平均增长率和两帮移进量平均增长率总体随基岩厚度增加而减小。推测在一定基岩厚度区间内，移进量平均增长率与埋深呈正相关关系。

（3）煤层开采推进的影响范围受基岩厚度影响，基岩厚度大，开采影响范围相对较小。

参考文献：

[1] 钱鸣高，缪协兴，黎良杰.采场底板岩层破断规律的理论研究[J].岩土工程学报，1995，17（6）：55-62.

[2] 钱鸣高，缪协兴，许家林.岩层控制中的关键层理论研究[J].煤炭学报，1996，21（3）：225-230.

[3] 杨光玉，贺兴元.局部煤柱下安全采煤技术[J].煤炭科学技术，2001，29（10）：16-19.

[4] 张来仁. ZF-4600型支架网下放煤过上分层煤柱开采实践[J].煤炭科学技术，2005，33（6）：15-17.

[5] 吕梦蛟.神东矿区长壁采场矿压显现规律与支架选型[J].煤炭科学技术，2010，38（11）：48-52.