房采區(qū)下覆綜采工作面礦壓規(guī)律實測分析

李建平

(山西焦煤集團(tuán) 介休正益煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032099)

神東礦區(qū)眾多煤礦在開采初期采用了房柱式采煤法，隨著采煤方法的改革，目前下部煤層多采用長壁式進(jìn)行回采，致使部分下部煤層綜采工作面布置在房采采空區(qū)下，使房采區(qū)下綜采工作面頂板控制出現(xiàn)了嚴(yán)重挑戰(zhàn)[1-4]. 上覆房采區(qū)大采高煤柱受下部煤層采動應(yīng)力的影響，極可能出現(xiàn)“多米諾”式的整體失穩(wěn)[5-7]，從而造成頂板切落，工作面煤壁片幫，引發(fā)壓架和傷人事故；房采煤柱集中應(yīng)力的向下傳遞，造成下部煤層回采巷道圍巖應(yīng)力加大，巷道變形控制困難。因此，為保證大柳塔煤礦22202綜采工作面能夠安全回采，需對工作面回采期間的頂板控制進(jìn)行研究[8-9].

1 工作面開采條件

1.1 開采地質(zhì)條件

22202工作面為大柳塔礦22煤二盤區(qū)已回采的大采高綜采工作面，煤層厚度3.7～4.3 m，平均煤厚3.95 m，厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，平均埋深約65 m，煤層傾角1°～3°. 工作面松散層平均厚度約12 m，基巖平均厚度50 m，所以松散層較薄，基巖較厚。22202工作面開采區(qū)域正上方為12煤房采采空區(qū)，煤柱基本未垮落，該房采區(qū)采用連采房柱式采煤工藝，房采采高達(dá)到7～7.5 m，采硐寬度5 m，煤柱7 m. 采空區(qū)總面積為11.63萬m2，占22202綜采面回采面積的60%左右。12煤與22煤層間距25.8～30.37 m；在回順14聯(lián)行靠近22煤火燒邊界頂幫煤層局部松散變軟。煤層瓦斯含量低，屬二氧化碳～氮氣帶，煤塵具有爆炸性，屬于易自燃煤層，最短發(fā)火期30天，無地溫異常。

1.2 工作面頂?shù)装迩闆r

22202綜采工作面煤層頂?shù)装迩闆r見表1.

表1 22202綜采工作面煤層頂?shù)装迩闆r表

1.3 工作面布置和開采區(qū)域劃分

1.3.1工作面布置

22202工作面位于武當(dāng)溝風(fēng)井東側(cè)，王渠溝南側(cè)；對應(yīng)地表有大蘇線、兩條村村通公路，有若干簡易土路及墳地。該工作面東側(cè)為22400工作面，西側(cè)為22201工作面(已回采)；南側(cè)為22煤主斜井，北側(cè)靠近22煤火燒邊界；回采面上覆為原12煤房采區(qū)。工作面沿煤層走向布置，走向長度579.4 m，傾斜長度315.6 m，面積18.11萬m2.

1.3.2開采區(qū)域劃分

根據(jù)22202工作面上方采空區(qū)煤柱的特點，將工作面面長方向劃分為5個監(jiān)測區(qū)，各區(qū)尺寸和煤柱尺寸如下：

1) 機(jī)頭房采巷道區(qū)：長530 m，寬50 m，面積約26 500 m2，上方1-2煤煤柱20 m×20 m.

2) 房采小煤柱區(qū)：長477 m，寬104 m，面積約49 608 m2，煤柱主要為7 m×7 m，有9塊20 m×30 m和20 m×40 m的煤柱，采硐寬5 m.

3) 房采中間隔離煤柱區(qū)：隔離煤柱長422 m，寬10 m，面積約4 220 m2.

4) 房采大煤柱區(qū)：長404 m，寬85 m，面積約34 340 m2，其中較小煤柱5 m×15 m，有12塊15 m×40 m煤柱，采硐寬5 m.

5) 機(jī)尾集中煤柱區(qū)：包括1-2煤房采巷道保護(hù)煤柱和大巷巷間煤柱，面積共約24 325 m2；房采巷道保護(hù)煤柱長405 m，通條煤柱寬35 m，面積約14 175 m2；大巷巷間單條煤柱長15～60 m，寬15 m，總煤柱面積約10 150 m2.

2 工作面礦壓規(guī)律實測

頂板運動步距主要以工作面支架工作阻力的周期性變動和工作面宏觀礦壓顯現(xiàn)作為判別的標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)計了工作面正常推進(jìn)(274.4～579.4 m)305.0 m過程中的支架工作阻力，分析和總結(jié)了13個監(jiān)測部位支架初撐力和循環(huán)末阻力變化特點：

1) 4個區(qū)域10個監(jiān)測部位頂板呈現(xiàn)出明顯的周期來壓現(xiàn)象。

2) 20#支架在274.4～507.9 m呈現(xiàn)出明顯的周期來壓現(xiàn)象，507.9 m之后無明顯來壓現(xiàn)象。

3) 161#、170#和180#等支架，即機(jī)尾約60 m范圍內(nèi)支架循環(huán)末阻力曲線幾乎為一條直線，表明頂板并無明顯來壓顯現(xiàn)。

5個監(jiān)測區(qū)域各選取了一條監(jiān)測部位的支架工作阻力曲線，見圖1.

在工作面正常推進(jìn)305.0 m過程中，10個監(jiān)測部位處支架呈現(xiàn)明顯周期性礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，分析了其頂板周期性運動特征。

2.1 工作面頂板運動步距

頂板周期來壓步距、顯著運動步距和相對穩(wěn)定步距統(tǒng)計見表2.

由表2可知：

1) 頂板周期來壓步距平均值c=15.7～20.1 m/17.9 m，折合割煤刀數(shù)20～21刀。

2) 顯著運動步距(來壓持續(xù)步距)平均值a=4.1～6.0 m/4.8 m，a≈0.27c，約折合割煤刀數(shù)5～6刀；顯著運動步距從中部向機(jī)頭機(jī)尾逐步減小。

3) 相對穩(wěn)定步距平均值b=11.0～15.4 m/13.0 m，約折合割煤刀數(shù)15～16刀。

2.2 工作面支架工作阻力

支架工作阻力和動載系數(shù)統(tǒng)計見表3.

表3 工作面支架工作阻力和動載系數(shù)表

由表3可知：

1) 工作面來壓時，支架均值工作阻力10 385～11 242/107 66 kN，占支架額定工作阻力的86.5%～93.7%/89.7%，支架利用率較高。

2) 工作面來壓前支架工作阻力7 672～8 122/7 927 kN，各部位支架受力相差不大。

3) 支架動載系數(shù)均值1.33～1.40/1.36，均方差0.02，離散性。

3 房采區(qū)下綜采工作面礦壓規(guī)律對比研究

22202工作面自開切眼至推進(jìn)150 m段上覆12煤未采，該實體煤段沒有進(jìn)行礦壓監(jiān)測，引用22101工作面實體煤下礦壓參數(shù)，研究工作面在實體煤下和在采空區(qū)下礦壓規(guī)律的區(qū)別。

3.1 實體煤下與房采采空區(qū)下礦壓規(guī)律對比

3.1.1工作面開采條件

2015年8月大柳塔礦22煤一盤區(qū)共計布置3個綜采工作面，其上部為12煤采空區(qū)，分別是大柳塔礦12107綜采面采空區(qū)、12203綜采面采空區(qū)，又有約0.5 km2的區(qū)域為雙廟梁小窯采空區(qū)，并且這些采空區(qū)均已相互溝通。12煤、22煤層間距15.7～29.55 m，22煤埋深約60 m、厚度3.5 m. 22101綜采面采高3.3 m，支架基本型式為2柱掩護(hù)式2×6 000 kN，額定工作阻力為12 000 kN.

3.1.2壓測區(qū)布置和觀測

22101工作面是刀把型工作面，22101(1)面(窄面)寬度195.1 m，推進(jìn)長度179.2 m；22101(2)面(寬面)寬度285.4 m，長度295.6 m，上覆為12煤采空區(qū)。選取40#、59#和80#支架所在位置3條測線進(jìn)行系統(tǒng)礦壓觀測。22101工作面和礦壓測區(qū)布置見圖2.

圖2 已采22101工作面礦壓測區(qū)布置圖

3.1.3工作面頂板周期來壓步距對比

22101工作面實體煤下與房采采空區(qū)下周期來壓步距對比見表4.

由表4可知，22101(1)面周期來壓步距為11.8 m，比22101(2)周期來壓步距11.5 m大0.3 m(2.6%)，相差不大，所以頂板條件相同的條件下，上覆采空區(qū)對工作面頂板運動步距的大小影響較小。

3.1.4工作面支架工作阻力對比

22101工作面實體煤下與房采采空區(qū)下支架循環(huán)末阻力對比見表5.

表5 實體煤和采空區(qū)下支架循環(huán)末阻力對比表

由表5可知，22101(2)面支架循環(huán)末阻力為7 649 kN，比22101(1)面(6 905 kN) 大744 kN(10.8%)，所以工作面在采空區(qū)下頂板壓力要大于在實體煤下頂板壓力，平均大約10.8%.

3.1.5來壓時支架循環(huán)末阻力對比

22101工作面來壓時在實體煤下與房采采空區(qū)下支架循環(huán)末阻力對比見表6.

表6 來壓時在實體煤和采空區(qū)下支架循環(huán)末阻力對比表

由表6可知，22101(2)面來壓時支架循環(huán)末阻力(10 167 kN)比22101(1)面(9 280 kN)大887 kN(9.6%)，因此，工作面來壓時在采空區(qū)下頂板壓力要大于在實體煤下頂板壓力，平均大約9.6%.

3.1.6實體煤下與房采采空區(qū)下礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

對22101工作面實體煤下與房采采空區(qū)下礦壓規(guī)律的研究得出，房采采空區(qū)下頂板周期來壓步距與實體煤下無明顯差別；而所有循環(huán)的支架循環(huán)末阻力房采采空區(qū)下比實體煤下大10.8%，來壓時支架循環(huán)末阻力房采采空區(qū)下比實體煤下大9.6%.

總之，房采采空區(qū)對工作面頂板運動步距無影響，但對工作面頂板壓力影響較大，工作面采空區(qū)下頂板壓力大于在實體煤下的頂板壓力。

3.2 房采大、小煤柱尺寸段礦壓規(guī)律對比

22202工作面在推進(jìn)方向上的房采小煤柱區(qū)(2)和房采大煤柱區(qū)(4)，均有一段在大房采煤柱尺寸下。房采大煤柱尺寸段是指工作面在房采區(qū)下的一段開采區(qū)域中，其上為單排或多排，長寬尺寸為周邊常規(guī)房采煤柱長寬尺寸2倍以上的大煤柱。分別對兩個區(qū)域各自在大房采煤柱尺寸下和小房采煤柱尺寸下礦壓規(guī)律進(jìn)行對比研究。

房采小煤柱區(qū)(2)60#和70#支架在推進(jìn)378.4～434.0 m為大房采煤柱尺寸段，273.4～378.4 m和434.0～579.4 m為小房采煤柱尺寸段；房采大煤柱區(qū)(4)的125#、129#和150#支架在396.2～483.1 m為大房采煤柱尺寸段，273.4～396.2 m和483.1～579.4 m為小房采煤柱尺寸段。

3.2.1頂板運動步距對比

工作面2個區(qū)域不同煤柱尺寸段頂板周期來壓步距和顯著運動步距對比見表7.

表7 不同煤柱頂板周期來壓步距及運動步距對比表

由表7可知，房采大煤柱段和小煤柱段頂板來周期來壓步距差異不大，頂板顯著運動步距相差不大。

3.2.2支架工作阻力對比

1) 支架循環(huán)末阻力。

工作面兩個區(qū)域不同煤柱尺寸段支架循環(huán)末阻力對比見表8.

由表8可知，工作面在大房采煤柱尺寸段支架循環(huán)末阻力與小房采煤柱尺寸段相差不大，平均小127 kN(1.5%).

表8 不同煤柱尺寸段支架循環(huán)末阻力對比表

2) 來壓時支架循環(huán)末阻力對比。

工作面來壓時兩個區(qū)域不同煤柱尺寸段支架循環(huán)末阻力對比見表9.

表9 不同煤柱段支架循環(huán)末阻力對比表

由表9可知，工作面來壓時，大房采煤柱尺寸段支架工作阻力與小房采煤柱尺寸段基本相等。

3.2.3礦壓顯現(xiàn)對比

大房采煤柱尺寸段與小房采煤柱尺寸段礦壓顯現(xiàn)對比見表10.

表10 房采大煤柱段與房采小煤柱段礦壓顯現(xiàn)對比表

由表10可知：

1) 工作面冒頂大房采煤柱尺寸段明顯比小房采煤柱尺寸段冒頂嚴(yán)重。大房采煤柱尺寸段平均冒寬為4 508 mm，比小房采煤柱尺寸段的2 946 mm大1 562 mm(53.0%)；大房采煤柱尺寸段平均冒高為173 mm，比小房采煤柱尺寸段的110 mm大63 mm(57.3%).

2) 工作面片幫大房采煤柱尺寸段工作面平均片幫深度為32 mm，比小房采煤柱尺寸段的20 mm大12 mm(60.0%).

3) 工作面上部采空區(qū)為小煤柱時，工作面來壓不強(qiáng)烈，來壓持續(xù)步距全程4.4～5.2 m，工作面頂板下沉量72～132/96 mm；大煤柱下時，來壓強(qiáng)烈，來壓持續(xù)步距全程3.8～14.8 m,工作面頂板下沉量為258～392/334 mm；兩種煤柱下工作面頂板下沉量相差238 mm(3.47倍)。

3.2.4不同尺寸段煤柱下工作面頂板壓力分析

工作面頂板壓力超過支架額定工作阻力時，支架安全閥開啟，工作面頂板下沉讓壓。根據(jù)“支架-圍巖”關(guān)系，工作面大煤柱尺寸段與小煤柱尺寸段達(dá)到相同頂板控頂效果時(頂板下沉量為72～132/96 mm)，前者工作面頂板壓力較大。

4 結(jié) 論

本文主要對比研究了實體煤下與房采采空區(qū)下及不同尺寸段下工作面礦壓規(guī)律。

1) 根據(jù)22202工作面上覆采空區(qū)特點，將工作面劃分為5個開采區(qū)域，即機(jī)頭房采巷道區(qū)、房采小煤柱區(qū)、房采中間隔離煤柱區(qū)、房采大煤柱區(qū)和機(jī)尾集中煤柱區(qū)。

2) 工作面周期來壓步距c=15.7～20.1 m/17.9 m，顯著運動步距a=4.1～6.0 m/4.8 m，相對穩(wěn)定步距b=11.0～15.4 m/13.0 m；來壓時支架均值阻力為10 385～11 242/10 766 kN，來壓前支架工作阻力為7 672～8 122/7 927 kN，動載系數(shù)為1.33～1.40/1.36，工作面各支架處來壓比較均勻。

3) 房采采空區(qū)下頂板周期來壓步距與實體煤下無明顯差別；支架循環(huán)末阻力房采采空區(qū)下比實體煤下大10.8%，來壓時支架循環(huán)末阻力房采采空區(qū)下比實體煤下大9.6%.

4) 大小兩種煤柱尺寸段下工作面周期來壓步距、顯著運動步距、支架工作阻力和動載系數(shù)均無明顯差異，但大煤柱段頂板下沉量為小煤柱段的3.47倍，達(dá)到相同頂板控頂效果(頂板下沉量)時，大煤柱下工作面礦壓顯現(xiàn)(支架工作阻力)會更強(qiáng)烈。