淺談淺埋煤層初采礦壓規律分析

摘 要：通過神東煤炭集團哈拉溝煤礦22410-1綜采面回采試驗與觀測研究，探討淺埋煤層超長大采高工作面的踹礦壓來壓規律。將工作面在初采時礦壓數據有選擇性的記錄下來，利用Excel軟件將觀測到的礦山壓力數據制成曲面圖表，將不同范圍內的數據采用不同的顏色區分開，通過顏色的變化確定頂板的初次來壓步距。從而弄清頂板初次來壓規律，為淺埋煤層超長大采高工作面頂板控制提供較為可靠的技術數據依據。

關鍵詞：淺埋煤層 超長大采高工作面 初采礦壓規律

來壓步距

引 言

淺埋深煤層大多分布于我國西部地區，其典型賦存特點是埋藏淺、基巖薄、覆蓋松散層厚[1]。我國西部淺埋深煤層近些年的開采實踐表明，淺埋深煤層在開采過程中，工作面礦壓顯現劇烈，頂板巖層極易出現整體切落形式垮落，上覆松散層緊附基巖沿煤壁切落又會對工作面形成瞬間沖擊載荷，嚴重影響工作面安全生產。

了解長壁綜采工作面頂板活動規律對于井下生產安全、采場科學合理支護設計和管理具有重要的指導意義。淺埋煤層一般定義為埋深不超過150m，基載比小于1，頂板具有單一主關鍵層，來壓具有明顯動載現象。

哈拉溝煤礦是神東礦區隸屬于神東煤炭公司的一座特大型現代化礦井，也是全國首座百人千萬噸新模式礦井，實行一礦一井一面的高度集約化生產[4]。

1.1 初采期間的地質概況

工作面位于22煤四盤區，綜采面長度300m，推進長度2587.9m，設計采高5.0m，初采期間范圍內，上覆基巖厚55～65m，松散層厚45～50m。煤厚5.3-5.7m，平均煤厚5.5m。煤層底板標高1133～1144m，工作面整體負坡回采，工作面上覆無富水區。 工作面煤層結構簡單，屬穩定型煤層，煤層傾向南西（軸向NE～SW），煤層傾角1～3°。

本面直接頂為中粒砂巖，厚度1.9m，灰白-灰黑色，泥質膠結，水平層理，含大量暗色礦物及植物葉莖化石。層理發育，下部致密，f=4。老頂為細粒砂巖，厚度9.47m，灰白-灰黑色，泥質膠結，含大量暗色礦物及植物葉莖化石，底部夾薄層砂質泥巖呈細脈狀，f=3。直接底為頁巖，厚度3.5m，深灰色，泥質膠結，水平層理發育，遇水易軟化，f=3。

工作面回采范圍內煤層老頂為細砂巖、粉砂巖，厚度7.68～9.35m，為中硬砂巖，屬中等垮落頂板；直接頂為細砂巖、粉砂巖，厚度2.09～2.11m，屬易冒落頂板。

工作面主要受孔隙水、上覆基巖裂隙水、鉆孔水的影響。第四系松散含水層主要以風積沙為主，工作面為弱～強富水區，H39水文觀測孔含水層厚度20.07m，富水性強。

1.2 初采期間的礦壓規律

1.2.1 水壓預裂初次放頂工藝

根據神東礦區淺埋深、厚風沙、薄基巖頂板巖層特征，老頂巖層在開采過程中可視為具有單一關鍵層的薄板結構。開采初期，采空區頂板長距離大面積空頂不易垮落，當工作面推進到極限時就會突然全部冒落造成的颶風（高壓壓縮空氣流動）給綜采面附近的通風系統內的風門、密閉等通風設施造成很大的破壞，也會對工作面人員帶來傷害。為此需在采空區頂板上實施深孔預裂爆破，將直接頂和老頂巖層炸裂，通過改變頂板圍巖的結構，人為干預老頂初次來壓垮落步距和來壓強度。

綜采面在回采前在切眼施工了水壓預裂孔。

1、采用橫向切槽的特殊鉆頭，預制橫向切槽，哈拉溝煤礦頂板巖層不屬于堅硬巖石，無需實施開槽作業。

2、利用手動泵為封隔器加壓使膠筒膨脹，達到封孔目的。

3、連接高壓泵實施壓裂。

1.2.2 初次來壓規律

1、直接頂初次垮落過程

2、直接頂垮落特征分析

工作面切眼采用水預裂初次放頂，推進10m左右直接頂開始由中部向兩順槽方向逐漸垮落，垮落時間較快，出現輕微颶風，產生的颶風程度不能將人員吹倒，推進16m左右除兩順槽三角區域未垮落外，工作面中部直接頂能夠全部垮實，工作面20-100架支架立柱壓力逐漸開始普遍增大，出現壓力顯現，持續3.4m（4刀煤），工作面其他段無明顯礦壓顯現，直接頂垮落過程中工作面煤壁無片幫，支架立柱無下沉，安全閥未開啟，頂板無淋水，但出現輕微漏矸現象，漏矸高度達200-400mm左右。大約向前推進至28m左右兩順槽三角區也全部垮實，直接頂垮落完全。

結論：

直接頂在推采至10m開始由中部向兩順槽開始垮落，推進至16m左右除兩順槽三角區域未垮落外，工作面中部直接頂能夠全部垮實，推進至28m左右兩順槽三角區也全部垮實，直接頂垮落完全。直接頂垮落過程中工作面支架壓力最大45.7Mpa，平均壓力35.6Mpa，只在垮落1-2刀煤左右有礦壓顯現，來壓強度并不強烈，垮落時間較快，出現輕微颶風，對生產無較大影響。

3、老頂初次垮落過程

1月17日0點班工作面累計推進至41m處（機尾48m），老頂來壓初次來壓，持續5m，同時地表出現塌陷裂縫，裂縫寬度為300-600mm左右。地表塌陷情況見下圖3-1。

4、老頂初次來壓特征分析

工作面老頂初次來壓期間，工作面支架壓力大部分位于35～45Mpa之間，壓力在45Mpa以上的支架相對較少，壓力最大為46.2Mpa，老頂初次來壓期間支架阻力變化如圖3-2所示。

老頂垮落時有颶風產生，風勢還不能將立在煤壁的鐵鍬吹倒，支架安全閥基本無開啟（支架立柱安全閥開啟壓力為47.3MPa），工作面煤壁較硬，無明顯片幫現象，頂板未出現淋水，有嚴重漏矸現象出現，漏矸高度達300-500mm左右。

老頂來壓初次來壓后地表出現塌陷裂縫，裂縫寬度為300-600mm左右。工作面老頂來壓期間支架循環末阻力見圖3-3。

結論：

本次老頂初次來壓步距為44.5m（不含切眼寬度8.7m），來壓期間支架壓力最大為46.2Mpa，平均壓力37.8Mpa，非來壓期間平均壓力為32.5Mpa，動載系數1.16。

老頂初次垮落期間礦壓顯現明顯，來壓強度不大，工作面煤壁無片幫，頂板未出現淋水，無較大颶風現象，頂板出現嚴重漏矸現象，漏矸高度最大達500mm左右。

工作面支架配置液壓支架工作阻力為12000KN，工作阻力較大，支架安全閥基本無開啟（支架立柱安全閥開啟壓力為47.3MPa），無較大颶風現象。

1.3 初次來壓規律及頂板控制技術

1、長300m左右的工作面采用切眼水預裂工程控制直接頂初次垮落，直接頂會由工作面中部某處向兩順槽方向分段垮落，直接頂垮落時工作面會出現輕度颶風，無較大壓力顯現，壓力顯現集中在工作面中部，回采過程中要加強人員安全管理，防止颶風將人吹倒造成人員傷害。

2、長300m左右的工作面直接頂在推進10m左右開始垮落，工作面中部垮落需要推進16m左右，工作面兩順槽三角區完全垮落需推進28m左右。

3、與同等地質條件其它工作面相比，水預裂控制頂板垮落比常規裝藥放炮強放工藝老頂初次垮落步距縮短（長300m面老頂初次垮落步距為60m左右，本工作面為42m，均包含切眼寬度），工作面在初采時要結合本次來壓步距和工作面地質條件分析老頂初次來壓步距及來壓強烈程度，有效指導工作面的初采工作。

4、根據工作面老頂來壓強度分析，工作面在正常推進期間，無異常情況出現的情況下礦壓顯現不會很強烈，本工作面頂板在來壓過程中頂板破碎，要加強頂板管控，支架工移架后必須保證初撐力不低于252bar且接頂嚴密。

5、機頭段頂板完好的情況下必須將煤機停在距機頭15m處，并將滾筒降至底板，兩滾筒放平，并將煤機機身段刮板機適當拉回，使煤機機身及刮板機均有一定的活動自由度，以避免老頂的大面積垮落對煤機造成沖擊損壞。

6、工作面來壓后，立即匯報調度室，由調度室安排相關部門檢查周圍巷道情況、通風設施、周圍系統內人員安全情況。

7、通過收回支架側護板對采空區進行觀察，如果架后大面積懸頂時（面積達到300㎡）或冒落矸石填充高度小于2m，面積達到400㎡需采取架間二次放頂后方可繼續生產，運順與回順端頭三角區出現懸頂面積達到1000㎡時，必須實施端頭二次放頂方可繼續生產。

參考文獻：

[1] 付玉平，宋選民，邢平偉等.淺埋煤層大采高超長工作面垮落帶高度的研究[J].采礦與安全工程學報，2010，27（2）：190-194.

[2] 李建華.淺埋煤層超長工作面礦壓顯現規律研究[J].陜西煤炭，2009，（2）：33-35.

[3] 錢鳴高，石平五等.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.11.

[4] 岑傳紅.采場頂板控制及監測技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，1998.

作者簡介：陳俊民（1985-），男，陜西神木人，2009年畢業于中國礦業工大學，助理工程師，現在在神東煤炭集團哈拉溝煤礦綜采二隊工作。