近距离煤层开采矿压显现规律研究

2021-01-25杨瑞峰

山西化工 2021年5期

杨瑞峰

(山西省晋中市榆次区应急管理煤矿安全巡查队，山西晋中 030600)

引言

在煤炭井下开采中，极易因多种因素影响使得矿压显现规律出现波动。我国针对工作面矿压显现规律的研究工作开展较早，现已取得了较多成果，如传递岩梁假说、关键岩层理论等，在国际上有着较强的影响。不断涌现的矿压规律研究成果，很大程度上对现阶段我国的煤矿开采安全问题起到了保障作用，值得总结经验，提升矿产开采工作的安全系数。

1 近距离煤层开采矿压监测

在研究近距离煤层开采矿压显现规律时，主要依据了采煤面覆岩层的运动特征，多方位分析煤层开采之中的多项因素，如近距离煤层的结构方式、各个煤层之间的分布关系、上覆岩层与基本顶的关系，进而找出近距离煤层开采矿压显现规律[1]。以下从A、B、C三个工作面中的矿压变化情况，得出矿井矿压的显现规律。

1.1 A工作面压力监测

A工作面是本次煤层开采中最大的一个工作面，总长度约为1 000 m，倾向长度为150 m，煤层夹角为10°～30°，工作面整体规模为11 万m2。其采煤层属于单一煤层，夹矸数2层，平均厚度为5.0 m，煤层稳定性较强，具备随时开采的条件。按照煤层结构组分可见，亮煤为最主要的煤种，其具有节理发育的特征，硬度系数为2.5，夹矸率为4%。工作面顶的泥岩厚度为2.0 m，底板粉砂岩厚度为2.79 m。根据工作面所处的地质状况，普遍采用了综放开采的方式。通过结合ZFG型液压支架，使用前后滚筒进行割煤。另外还应依据施工场所内的液压支架数量，此工作面设置了12个相对应的压力检测点，可及时观察到支架上方顶板的压力变化情况，进而明确工作面当前的矿压显现规律。

1.2 B工作面压力监测

B工作面的总体长度为700 m，倾向长度为130 m，工作面整体规模为9 万m2。夹矸数3层，平均厚度为0.7 m，此处主要为褐煤。工作面顶的细砂岩厚度为2.0 m，底板灰黑色泥岩厚度为2.7m。根据工作面所处的地质状况，当前普遍采用了综放开采的方式。所采用的配套支架同样为ZFG型液压支架，利用了前后滚筒的割煤方式。此工作面设置了8个相对应的压力检测点，记录好压力变化情况。

1.3 C工作面压力监测

C工作面的总体长度为450 m，倾向长度为150 m，工作面整体规模为7 万m2，此工作面属于矿井煤柱线的顺延部分，其煤层较为单一，以褐煤为主，煤层厚度在4 m～6 m。夹矸率为4%，厚度为0.3 m，泥岩是构成矸石的主要来源。在此工作面上部，存在较大范围的采空区，使用了综合放顶煤开采的工艺，采煤方法与支架同A、B工作面，通过设置一批监测站实时监测矿压变化情况。

2 近距离煤层开采矿压显现规律

2.1 A工作面矿压显现规律

通过分析A工作面中的多项数据可知，此工作面在初次来压时的步距约为20 m，各个监测点具有相同的初次来压时间，此时的动载系数为1.2，支架工作时最大阻力为5 800 kN。由此可见，此工作面的顶板受到了一定的损坏，使得支架受到的阻力更高，但由于工作面的来压强度普遍不高，加之来压仅能持续极为短暂的时间，使得支架不会因压力过大而产生不稳定的情况。通过对各项数据做进一步分析可见，在初次来压的时间段内，顶板下部的压力值明显要大于顶板上部的压力值，另外处于上部的支架收到的工作阻力及动载系数均维持在较低的水平中，表明顶板下部来压强度相比顶板上部来压强度要高许多[2]。

2.2 B工作面矿压显现规律

在分析B工作面各项数据后，经计算可知，B工作面的顶板初次来压时的步距约为18 m，周期来压时的步距为17 m，二者之间的差别不显著。通过监测数据可见，初次来压的强度约为6 000 kN，此数值可达到额定阻力值的80%，除初次来压外，大部分时间内的工作压力约为5 200 kN，仅为额定阻力值的65%。在比对上述数据后能够得出如下结论，当前在目标工作面中，其周期来压强度小于支架的最大承受能力，并且来压时间持续时间极为短暂，另外随着监测工作的逐渐深入能够看出，在工作面居中的位置处，其动载系数较高。由此可见，在周期来压过程中，中部区域中的来压强度为最大。

2.3 C工作面矿压显现规律

在分析C工作面各项数据后，可见C工作面的顶板初次来压时的步距约为30 m，周期来压时的步距为22 m，数据显示，此工作面的来压强度为6 900 kN，此数值可达到额定阻力值的89%，周期来压阻力值为6 500 kN，此项数据可达额定阻力的85%，如在日常工作环境下，其阻力值约为5 300 kN，仅能够达到额定值的71%。由此可见，此工作面中的来压强度的数值较低，能够符合支架所能承受的最大值。另外，通过查看三区域内的动载系数，能够得知中部的动载系数最高，使得中部区域的压力值更大。

2.4 三个工作面矿压显现规律对比分析

上述A、B、C工作面是近距离煤层开采中最为常见的几种形式，通过分别进行数据观测及矿压显现规律分析后，可总结出近距离煤层开采矿压显现的一般规律。按照上述数据进行对比及计算，要将重点放在计算工作面的来压步距、额定阻力占比、平均支护阻力等一系列相关数据资料进行统计、计算后，据此产生了以下结论。

首先，初次来压及周期来压时，来压过载系数往往还处于极低的水平之中，此时的动载系数仅能够达到1.19，产生此现象的根本原因为，在近距离工作面的矿压显现中，因其特点致使来压表现不明显，支架的受力情况为静载。通过观察三个工作面可见，A工作面、C工作面的煤层间距较小，造成煤层的基本顶结构缺失，岩层层位较高，尤其是将较为细碎的砂石用作垫层后，使得所形成的岩层具有更大的厚度，其自身稳定性也得到了进一步强化。在动态荷载不能完全作用到支架的情况下，可使动载系数降至低位[3]。

其次，在上述三个工作面中，其来压步距波动稍显大，并且具有一定的周期性，证明周期性稳定问题可出现在覆岩层的众多区域中，使得整体步距受到了一定影响。此外，B工作面相较于A、C工作面的步距较小，产生此种现象的根源在于，B工作面的岩层构造较为复杂，工作面与煤层的距离较短，各个层次之间并不能形成基本项，使得煤层断裂现象严重。由此可见，来压步距数值变化与煤层上的基本顶的形成有着一定的关联性。

最后，要对比三个工作面中的动载系数，此时可见，C工作面动载系数远超上述两个的动载系数，证明在基本顶发生断裂后，会进一步受到动载系数变化的影响。如在近距离煤层开采中，一旦发现较为坚硬的基本顶，则会使工作面的受力更大，使动载系数持续增加。