近水平綜放工作面頂板規律及控制研究

左朝宇

（山西煤炭進出口集團蒲縣豹子溝煤業有限公司，山西 臨汾 041000 ）

1 概況

豹子溝煤業10101工作面主采10+11號煤層，煤層厚度平均7.03m，含1～5層夾石層，煤層傾角較小，屬于近水平煤層，開采工藝為綜合機械化放頂煤開采，水文地質條件屬中等類型，頂板為厚層的K2石灰巖，致密，堅硬，穩定性好，局部地段由于裂隙發育，頂板較破碎，底板以泥巖或粉砂巖為主，屬穩定較好底板。

2 直接頂和老頂垮落規律理論分析

2.1 直接頂初次垮落理論分析

（1）初垮巖層厚度

10101工作面開切眼沿煤層頂板布置，割煤后不斷下行至推進30m處到達10#煤層底板（此時煤厚5.3m），開始沿底板割煤。頂煤的厚度是隨工作面推進不斷增大，而且工作面初次來壓之前不放頂煤，冒落的頂煤會遺留在采空區。

開采后直接頂泥質灰巖下部運動空間[1-2]為：

式中：

△1-頂板泥質灰巖下部運動空間，m；

T-頂煤厚度，0～2.5m。

代入參數計算得△1=1.925～2.8m。滿足△1＞m1，直接頂泥質灰巖顯然會垮落。頂煤和直接頂垮落時，老頂石灰巖下部運動空間為：

式中：

△2-老頂下部運動空間，m；

m1-直接頂厚度，0.68m。

代入參數計算得△2=1.687～2.562m。滿足△2＜m2，頂板②顯然不會垮落。

綜上可知，初垮巖層最大厚度為頂煤和直接頂厚度之和，即MZ=T+m1=3.18m。

（2）直接頂初垮步距和周期垮落步距

根據計算，直接頂為厚度0.68m的泥質灰巖，按簡支梁計算：

式中：

LOZ-直接頂初次斷裂步距，m；

LZ-直接頂周期垮落步距，m；

MZ-直接頂厚度，m；

[σt]-直接頂抗拉強度，MPa；

γZ-直接頂巖層容重，取25kN/m3。

代入參數計算得LOZ=8.1m和LZ=3.3m，即直接頂初次斷裂步距為8.1m和周期垮落步距為3.3m。

2.2 老頂來壓規律理論分析

老頂初次來壓步距計算公式：

式中：

C0-老頂初次來壓步距，m；

Ms-支托層厚度，Ms=m2=11.44m；

[σt]-支托層抗拉強度，取3.93～4.24MPa；

γ-頂板巖層容重，取25kN/m3。

代入參數計算得C0=52.8～54.8m。

（2）老頂初次來壓期間，工作面頂板下沉量

廣東海事局局長陳畢伍表示，廣東毗鄰東南亞，水網發達，人們水上日常出行、旅游等活動頻繁，廣東珠江口海域和瓊州海峽涉客渡運近10年來保持零事故、零死亡紀錄，得益于廣東致力建立安全、便捷、高效、綠色的現代綜合交通運輸體系和共商共建共享共治的安全社會治理體系。愿與各國分享“廣東經驗”，共同為亞太地區的渡運安全和人民群眾安全出行貢獻力量。

老頂初次來壓時，工作面最大頂板下沉量為：

式中：

△h0A-老頂初次來壓時，工作面最大頂板下沉量，mm；

SA-老頂尾部下沉量，根據計算為1489mm。

代入參數計算得△h0A=299mm。

3 礦壓規律實測

3.1 采空區垮落情況實測

10月23日～11月9日對10101綜放工作面采空區進行觀測，10月23日冒落了1.5m左右的矸石（主要受機頭處F9斷層的影響），自11月1日起，工作面開始陸續有部分頂板發生冒落，此時工作面推進度約為25.5m，單次冒落高度最大約為2m，累計冒落高度（包含冒落頂煤）約為4.5～5m。根據頂板冒落后堆積高度，可推算出實際垮落巖層厚度，代入公式可得實際垮落巖層厚度3.46～3.85m，平均3.65m。

3.2 老頂初次來壓

工作面頂煤目前隨采隨垮，而且沒有理論意義上的直接頂[3]，部分基本頂轉化為直接頂后垮落強度也不大，因此如果工作面出現面積較大的礦山壓力顯現，很有可能是發生了基本頂初次來壓[4-5]。

通過10101工作面礦山壓力監測系統統計得到初采階段礦壓數據，顯示11月9日至11月13日工作面出現較大的礦山壓力顯現，推斷是工作面老頂初次來壓。分別在工作面上、中、下三部分，選擇具有代表性的 8個測點即 18#、22#、46#、50#、54#、58#、86#和90#支架，繪出支架工作阻力曲線圖如圖1所示，統計得到8個支架頂板初次來壓步距見表1。

表1 初次來壓步距統計

圖1 部分支架工作阻力曲線圖

由圖1和表1統計數據可知：頂板初次來壓步距均值為43.36m，持續壓力顯現步距均值為3.74m，初次來壓壓力均值為5819kN，與理論計算的來壓步距均值相差不大；頂板初次來壓步距離散性小，持續壓力顯現步距離散性較大，機頭和工作面中部持續壓力顯現步距較大；初次來壓壓力統計值22#、46#支架離散性較大。

4 周期來壓參數預計及頂板控制方案

4.1 周期來壓參數預計

根據初次來壓步距和來壓強度確定基本頂初次運動具體參數，但由于頂板部分巖層受多因素影響轉化為直接頂提前垮落。但在周期來壓過程中該部分垮落巖層是繼續以直接頂的形式垮落，還是和其余部分一起運動，存在著不確定性。所以在周期來壓預計過程中對兩種情況分別進行分析，即一種是基本頂部分巖層繼續以直接頂形式垮落，另一種是基本頂部分巖層不再垮落。

根據計算公式可得第一種情況和第二種情況基本頂周期來壓步距分別為19.1～19.9m和21.6～22.4m，基本頂周期來壓強度分別為0.66～0.68MPa和 0.78～0.81MPa，工作面頂板下沉量分別為913mm和960mm。

4.2 頂板控制方案

根據周期來壓參數預計，提出控制頂板方案：

（1）控制放煤量。因為少放煤甚至不放煤，在采空區內遺留頂煤支撐頂板, 當預留頂煤全部充填采空區時，工作面頂板下沉量可控制在439mm，大大改善頂板控制狀態。

（2）合理留置采空區冒落頂煤時間。采空區墊層最有利的留置位置取決于基本頂來壓步距和來壓時頂板斷裂線相對煤壁位置，采空區墊層應留置在頂板斷裂位置下方，考慮到來壓過程中頂板的回轉沉降，該部位墊層和頂板之間的距離最小，即便墊層不能充填采空區高度，也能保證頂板來壓過程中沉降值最小，工作面受到的動壓沖擊也最小。假定來壓結束時工作面頂板斷裂線位于煤壁上部附近，則墊層最有利的位置應在該斷裂線正下方，即應該在頂板來壓期間停止工作面放煤，此后正常放煤至下一次頂板來壓。

（3）合理確定煤垛步距。通過計算可知，5個割煤步距后的頂煤不放出，全部留置在采空區內，冒落頂煤堆積成煤垛形態為一個四邊形。因此，保證采空區最低充填要求的不放煤距離為5個割煤步距之和，約4m。

5 結語

針對豹子溝煤業首采綜放工作面礦壓規律不明確等問題，采用理論分析和現場實測得出直接頂和老頂的垮落參數，同時對工作面的周期來壓參數進行預計，提出了合理頂板控制方案，為相似地質工作面礦壓規律研究提供了借鑒作用。