急倾斜中厚煤层综采工作面矿压分布及其演变规律*

2021-04-06张晓波解盘石

陕西煤炭 2021年2期

张晓波，张浩，解盘石，郎丁

(1.重庆能源投资集团科技有限责任公司，重庆 400061；2.西安科技大学能源学院，教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西西安 710054)

0 引言

急倾斜煤层在我国西部矿井广泛赋存，厚煤层开采经过多年技术攻关，现已逐步实现了大采高机械化开采，而薄及中厚煤层由于具有煤层厚度小、角度大、支架-围岩系统难控制等技术性难题，开采难度相对较大，部分开采有该类煤层的矿井进行了综合机械化开采实践，虽取得了一定的成效，但技术理论性研究仍略显不足。

要从根本上解决急倾斜薄及中厚煤层开采问题，形成比较完整的薄及中厚煤层长壁综合机械化开采技术体系，必须从基础的矿山压力显现规律着手。为此，学者们从不同角度进行了研究分析，伍永平[1-2]构建了“R-S-F”承载系统模型，并求取了保持系统稳定的支架阻力特解，曹树刚[3]分析了急倾斜煤层采场围岩力学结构形式及应力分布，尹光志等[4-5]分别基于薄板理论、弹性薄板小挠度理论构建了急倾斜工作面覆岩力学模型，赵远放等[6]研究了大倾角工作面矿山压力显现特征，刘庆林[7]认为大倾角综采工作面“大结构”中“关键块”破坏形式会决定来压特征，赵洪亮等[8-9]研究了大倾角厚煤层综放工作面矿压规律，王文杰等[10]采用工程监测法研究了大倾角厚煤层下分层工作面周期来压特征，邓海鹏[11]分析了急倾斜厚煤层综放工作面两侧支承压力分布规律。现有研究在覆岩力学分析模型、支架阻力分布等做了诸多研究，虽取得了一定成效，但也存在局限性，对于急倾斜煤层矿压规律方面的研究主要集中于角度相对较小的急倾斜厚煤层综放或分层开采工作面，急倾斜薄及中厚煤层综采工作面矿压规律等方面的研究相对较少。文中以逢春煤矿急倾斜中厚煤层综采工作面为工程背景，采用相似材料实验及理论分析法，研究急倾斜综采工作面支架阻力演变及支承压力分布动态变化规律，为类似条件煤层开采提供理论性参考。

1 生产技术条件

逢春煤矿N2821工作面主采M8煤层，其为黑色半亮型煤，呈颗粒状，内生裂隙发育。工作面走向长623.5～716.8 m，平均670.2 m，倾斜长62.2 m，煤层厚度1.8～3.4 m，平均2.57 m，倾角50.7°～52.5°，平均倾角为51.6°。工作面水文地质条件简单，煤层原始瓦斯含量为25.87 m3/t，最大残余瓦斯含量为5.17 m3/t，煤尘无爆炸危险，属自燃煤层。基本顶以细砂岩为主，质地较硬，呈块状；直接顶为砂质泥岩，灰色，层理清晰；直接底为砂质泥岩，灰色；基本底为泥灰岩，灰色，质硬，呈块状。

2 支架阻力演变规律

急倾斜工作面模拟回采过程中，具体循环工序为“降架—撤架—工作面前移—升架”直至工作面整体前移(图1)。实验结果(表1)表明：回采过程中，工作面上、中、下部各区域支架平均阻力分别为3 005 kN、3 142 kN、2 757 kN，故支架阻力倾向上分布呈现为中部>上部>下部。工作面支架在降架和移架后重新支撑过程中，各区域相邻支架工作阻力均会发生不同程度的变化，具体表现为降架时邻近支架工作阻力均会增加，重新支撑时邻近支架工作阻力均会降低，而不同区域内支架在不同工况时阻力演变幅度呈区域性异化。

图1 推移支架Fig.1 Pulling support

表1 支架阻力演变状况Table 1 Evolution of support resistance

实验数据(表1)表明，工作面上部区域，25#支架降架前，相邻26#、24#支架工作阻力分别为3 320 kN、3 620 kN；25#支架降架后，26#、24#支架工作阻力分别为3 940 kN、4 860 kN，分别增加了18.67%、34.25%，平均增加了26.46%；25#支架重新支撑后，26#、24#支架的工作阻力分别为2 780 kN、3 960 kN，降幅分别为29.4%、18.52%，平均降幅为23.96%。工作面中部，15#支架降架前，相邻16#、14#支架阻力分别为3 200 kN、3 560 kN；15#支架降架后，16#、14#支架工作阻力分别为3 880 kN、3 980 kN，分别增加了21.25%、11.8%，平均增加了16.53%；15#支架重新支撑后，16#、14#支架工作阻力分别为3 260 kN、3 800 kN，降幅分别为16%、4.5%，平均降幅为10.25%。工作面下部，5#支架降架前，相邻6#支架、4#支架工作阻力分别为3 820 kN、4 820 kN；5#支架降架后，6#、4#支架工作阻力分别为4 120 kN、4 920 kN，分别增加了7.85%、2.07%，平均增加了4.96%；5#支架重新支撑后，6#、4#支架工作阻力分别为3 600 kN、4 300 kN，降幅分别为12.62%、12.6%，平均降幅为12.61%。由此可见，降架时，支架阻力增加幅度为工作面上部>工作面中部>工作面下部，重新支撑后，支架阻力降低幅度工作面上部>工作面下部>工作面中部。

3 支承压力演变规律

图2表明，急倾斜煤层开采后，原岩应力平衡状态遭到破坏，顶压经岩梁传递后迁移，并在煤柱内近工作面区域发生力学集中，使得工作面上下边界煤柱形成侧向支承压力影响区，工作面上部煤柱内支承压力峰值小于下端煤壁支承压力峰值。

图2 煤岩内压力演变规律Fig.2 Evolution law of pressure in coal and rock

工作面前移1 cm，工作面上部煤柱内支承压力基本没有变化，工作面下部煤柱支承压力1.56 MPa，增载系数为1.09。前移2 cm，工作面上部煤壁支承压力峰值变为0.56 MPa，增载系数1.07，下部支承压力峰值1.67 MPa，增载系数1.17。前移3 cm，工作面上侧煤柱支承压力峰值为0.65 MPa，增载系数1.25，下部煤柱支承压力基本无变化。前移4 cm，工作面上部煤柱支承压力基本没有变化，工作面下部煤柱支承压力值减小，峰值减小为1.57 MPa，增载系数1.09。前移5 cm，工作面上部煤柱支承压力峰值为0.56 MPa，增载系数1.09，下部压力峰值为1.61 MPa，增载系数1.13。

工作面前移5 cm后，将支架伪仰斜布置，并进行推进，如图3所示。工作面伪仰斜布置后，上部煤柱支承压力峰值为0.65 MPa，增载系数1.26，下部煤柱压力峰值为1.69 MPa，增载系数1.18。推进1 cm时，工作面上部煤柱支承压力峰值为0.73 MPa，增载系数1.40，下部煤柱压力峰值为1.8 MPa，增载系数1.26。推进2 cm，工作面上部煤柱支承压力峰值为0.55 MPa，增载系数1.07，下部煤柱压力峰值为1.57 MPa，增载系数1.1。推进3 cm，工作面上部煤柱支承压力峰值为0.76 MPa，增载系数1.47，下部煤柱压力峰值为1.86 MPa，增载系数1.30。推进4 cm，工作面上部煤柱支承压力峰值为0.99 MPa，增载系数1.92，下部煤柱压力峰值为2.19 MPa，增载系数1.53。推进5 cm完成后，工作面上部煤柱支承压力峰值为1.07 MPa，增载系数2.06，下部煤柱压力峰值为2.34 MPa，增载系数1.64。综上，工作面回采过程中，上、下端平均侧向支承压力集中系数为1.39、1.25，说明工作面上端应力集中程度较下部大。

图3 支架伪仰斜布置Fig.3 False-inclined layout of supports

撤架时煤岩中的压力分布规律，如图4所示。图4可表明，顶板第一次垮落时，即撤移22#支架时，工作面上下煤柱支承压力峰值分别为1.13 MPa、2.24 MPa，增载系数分别为2.18、1.56；顶板第二次垮落时，即撤移19#支架时，工作面上下煤柱支承压力峰值分别为1.17 MPa、2.27 MPa，增载系数分别为2.25、1.58；顶板第三次垮落时，即撤移17#支架时，工作面上侧煤柱支承压力峰值为1.2 MPa，增载系数为2.33；工作面下侧煤柱支承压力由于实验过程中传感器影响，侧煤柱支承压力为零，但从整体区域趋势上可以看出值是增大的；顶板第四次垮落时，即撤移12#支架时，工作面上侧煤柱支承压力峰值为1.38 MPa，增载系数为2.67，工作面下侧煤柱支承压力同撤移17#支架时一样；顶板第五次垮落时，即撤移8#支架时，工作面上下煤柱支承压力峰值分别为1.49 MPa、2.39 MPa，增载系数分别为2.89、1.67；顶板第六次垮落时，即支架全部撤移，工作面上下煤柱支承压力峰值分别为2.07 MPa、3.11 MPa，增载系数分别为4.0、2.17；顶板第7次垮落时，即最终垮落，工作面上下端煤柱支承压力峰值分别为2.22 MPa、2.42 MPa，增载系数分别为4.3、1.69。顶板垮落时，工作面上、下煤柱侧向支承压力集中系数平均为2.95、1.73。

急倾斜中厚煤层模拟工作面回采完成撤架后，工作面下方底板内压力作用程度大幅降低(图4)，且压载值强度均在0.5～0.6 MPa以下，中、下部区域底板压力值>上部，分析可知，急倾斜工作面顶板垮落后形成的矸石由于倾角效应会向下滑移，从而会形成非均匀性矸石充填区，中、下部采空区矸石充填度高，导致顶压经矸石向底板迁移，故底板压力呈现出中、下部>上部的分布特征。