深部開采礦井回采工作面覆巖變化規律研究

文/孫永奎

深部開采礦井回采工作面覆巖變化規律研究

文/孫永奎

礦井進行深部資源開采時，其礦山壓力規律與淺部有一定區別。因原巖應力的增加，導致深部礦井巖體的流變性增強，從而使深部礦井開采過程中的巷道圍巖在表觀上呈現松軟、破碎的狀態，甚至某些巷道圍巖明顯呈現軟巖的特征。同時,回采過程中，采掘空間的周圍會產生集中應力即支承壓力。支承壓力將沿回采工作面推進方向傳播，使巷道受到不同程度的一次或多次支承壓力影響，引起巷道圍巖在一定程度及階段內處于應力集中狀態，破壞區和塑性區范圍逐步擴大，致使巷道難于維護。

黑龍江龍煤集團雞西分公司東海煤礦作為集團分公司13個主力礦井中進行深部資源開采的礦井之一，了解深部回采工作面覆巖變化規律，科學確定支護方案，對礦井的安全高效與可持續發展有著顯著意義。本文針對東海煤礦五采區32#層195采煤工作面采用礦壓觀測了解覆巖變化規律的研究與應用進行了闡述，為礦井深部開采超前支護及沖擊礦壓防治提供了參考。

一、工作面概況

195采煤工作面位于礦井二水平五采區32#煤層，地質構造復雜。在右十一路9#點后4.5m處，有一走向170°傾角60°落差上幫0.5m下幫0.3m的正斷層，但對工作面影響甚微，預計最大涌水量為1～2m3/h。

195采煤工作面平均埋深為1060m，屬于典型的深部回采工作面。煤層厚度1.5m，向南單傾斜構造，無褶皺，開采面積160050m2，采用采煤機落煤、單體液壓支柱支護的回采方式。

二、礦壓觀測區域設置

礦壓觀測是通過對長壁工作面支柱工作阻力、頂底板移近量和活柱下縮量的定期監測與分析，精確掌握回采工作面推采過程中頂板運動傾向和來壓垮落的規律。通過監測礦壓，可隨時掌握深部開采長壁工作面支柱的工作狀態，掌握頂板運動規律，由此確定需控巖層范圍和參數,分析采煤空間支架圍巖相互作用關系,為合理安排工序、合理選擇采煤參數以及進行頂板控制設計提供了有力依據。

1.工作面測區布置

在采場內設上中下3個測站，每個測站設置2條測線，上下測站與順槽煤柱間距15m。每條測線全部支柱安裝壓力計，由煤壁至采空區分別為P1、P2、P3、P4。每條測線均在帶有壓力表支柱下方靠近煤壁一側20cm左右設觀測點，由此測量頂底板移近量及移近速度，測點必須在頂底板中安設牢固。（見圖1）

2.上下順槽測區布置

圖1工作面支柱阻力測區布置示意圖

上下順槽的超前支護部分，在20m范圍內每隔5m設置一個測點，每個測點處安裝1塊YHY60(C)型礦用數字壓力計，每條順槽共設置4個測點，上下順槽合計安裝8塊。隨著工作面的不斷回采推進，各測點依次回撤前移，但上下順槽內始終保持4個測點不變。（見圖2）

3．支柱工作特性及適應性分析

工作面采用單體液壓支柱設計壓力上限值為38Mpa，安全閥卸載壓力是38Mpa，詳細技術參數指標見表1。

由統計分析可知，實測上部測站支柱平均工作阻力為21.5MPa，占支柱額定工作阻力的57%；2號測站支柱平均工作阻力為19.6MPa，占支柱額定工作阻力的52%；3號測站支柱平均工作阻力為18.4MPa，占支柱額定工作阻力的48%。由此可見，所選測區內支柱實際工作阻力相對不高，完全滿足支護要求，安全系數較大。

4．老頂周期來壓監測與工作面礦山壓力觀測結果分析

根據YHY60(C)型礦用數字壓力計監測數據可知:在整個觀測期間，上部測區和中部測區來壓時有部分支柱安全閥開啟，下部支柱壓力基本未超額定工作阻力（41MPa）。從支柱壓力變化曲線可以看出:工作面周期來壓步距12～20m，工作面中部來壓先于上部和下部，最大平均壓力上部和中部偏高，工作面下部偏低。

同時,為了得到工作面沿傾向上壓力分布規律以及沿走向支柱上壓力分布規律，分別對工作面上部210#209#198#196#支柱位置、中部70#69#支柱位置和下部50#49#支柱位置的第一、二、三排單體液壓支柱進行了壓力監測。結果如下：沿工作面走向越靠近煤壁，支柱壓力值越小，越靠近采空區支柱壓力越大。

圖2上下順槽超前支護測區布置示意圖

表1支柱基本技術參數表

三、研究結論

經過理論分析與實際壓力觀測數值對比，深部開采礦井回采工作面覆巖變化規律有如下特點：

1.直接頂破碎

隨著回采工作面的推進和控頂范圍內的頂部下沉，直接頂的節理裂隙越來越多，特別是越靠近煤壁，其節理裂隙越多，使回采工作面直接頂板比較破碎，控頂區內冒落度高。回采工作面正常推進或按正規生產時，直接頂破碎程度體現較少，一旦回采工作面停產1～2天后，直接頂破碎程度表現明顯，具有明顯裂隙、支護能力不足導致臺階下沉的特征。

2．工作面超前支撐壓力影響范圍大

隨著開采深部的不斷增加，煤層頂板巖層承受的巖層厚度和容重也隨之增加，使頂板巖層承受較大的靜壓力與支撐動壓力。煤層頂板在承受較大壓力、超過壓力峰值曲線時產生一定的節理裂隙，降低了巖層的抗壓強度。

深部回采工作面前方壓力是一個固定值（包括靜壓力與動壓力），而頂板的抗壓強度降低，迫使頂板壓力向工作面的四周轉移，使回采工作面超前支撐壓力影響范圍擴大，導致超前影響距離大，回采工作面前方100m即可觀測到頂板壓力的影響情況。

3．煤壁片幫嚴重，基本頂斷裂位置前移

由于深部回采工作面上腹巖層的厚度大，引起壓力大，而煤層或直接頂承載的抗壓強度較小，使其在超前壓力峰值附件，煤層與直接頂巖層已經產生了一定的節理裂隙，導致承載能力降低，頂板下沉。如深部開采煤巖層的上覆巖層壓力一般達到20～25Mpa，加

上回采工作面超前集中移動壓力的影響，使工作面前方煤巖層承擔30Mpa以上的壓力。

當深部開采煤壁前方的壓力超過煤層的抗壓強度時，工作面前方煤壁極易產生下沉變形、煤壁片幫等，特別是采高越大和支柱、支架初撐能力較小的情況下，煤壁片幫更加嚴重，引起超前移動支撐壓力峰值點前移和基本頂斷裂位置前移。

（作者單位：黑龍江龍煤礦業集團股份有限公司）

（責任編輯：周瓊）