厚松散含水層下采場厚硬直覆頂板控制技術(shù)研究*

劉結(jié)高

(淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司煤業(yè)公司，安徽 淮南 232001)

0 引言

薄基巖煤層具有埋藏淺、勘探程度高、生產(chǎn)系統(tǒng)齊全、開采成本低等優(yōu)點，是我國兩淮礦區(qū)新、老礦井持續(xù)增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要資源。但是，由于受煤層開采以及采場上方高水壓的共同影響，造成采場支架壓死、煤壁片幫、頂板突水等一系列災(zāi)害事故，極大的增加了生產(chǎn)成本，影響了工作面安全回采。針對類似條件，國內(nèi)學(xué)者已開展深入分析研究，并得出相應(yīng)的研究結(jié)果[1-3]。但通過合理的強(qiáng)制放頂步距，從而降低薄基巖煤層頂板初次來壓顯現(xiàn)的相關(guān)研究較少，特別是松散含水層下砂巖直覆頂板條件下的研究更少。此次理論研究針對淺埋煤層厚硬頂板直覆采場，通過強(qiáng)制放頂?shù)姆椒ǎ云趯档凸ぷ髅娴V壓顯現(xiàn)提供理論指導(dǎo)。具體以淮南礦業(yè)集團(tuán)1602(3)工作面為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場工業(yè)化試驗等方法，確定合理的工作面頂板控制技術(shù)。

1 工作面概況

1.1 地質(zhì)概況

淮南礦業(yè)集團(tuán)潘一煤礦1602(3)工作面主采13#煤，煤層厚度1.4～4.9 m，平均3.4 m，過斷層地點煤厚不一；煤層結(jié)構(gòu)簡單；煤巖層產(chǎn)狀為189°～221°，煤層傾角2°～8°，平均為6°，煤層頂部以片塊狀結(jié)構(gòu)為主，底部以粉沫結(jié)構(gòu)為主。工作面位于F5逆斷層上盤與F8正斷層下盤之間，掘進(jìn)期間工作面共揭露15條斷層。1602(3)高普面煤層頂?shù)装鍘r性情況見表1。

1.2 回采概況

為了提高1602(3)綜采面采出量，使防水煤柱降到最小，實際最小防水煤柱為44.3 m。工作面配套實際工作載荷7 200 kN液壓支架(ZZ6400/18/38型)100架，采煤機(jī)(MG650/1620型)1臺，刮板輸送機(jī)(SGZ-1000/2×700型)1臺，運(yùn)順安裝型轉(zhuǎn)載機(jī)(SZZ1000/400)1部(含PCM250型破碎機(jī))，皮帶機(jī)(SSJ-1200/2×200型)1部。工作面回采至44 m時，基本頂發(fā)生初次來壓，支架壓力為42 MPa，安全閥開啟值為36 MPa，中部液壓支架安全閥出現(xiàn)大面積卸液現(xiàn)象，支架活柱伸出量大大減小，此后工作面停滯不前，其中，有35架出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，主要損壞形式為前柱缸壓死、后柱耳座開裂、前后柱柱窩錯動等。隨后采用臥底等措施，但是立柱隨即被壓死，導(dǎo)致壓架。

2 頂板控制技術(shù)研究

2.1 支架壓架原因分析

隨著工作面的回采，老頂巖層發(fā)生斷裂，當(dāng)液壓支架額定工作阻力或工作面前方的煤體失去了對老頂巖層運(yùn)動的控制能力時，老頂巖塊在自重和上覆巖層的作用下，其末端將沿它下面的空間自由運(yùn)動，產(chǎn)生圍繞以其前端下方煤巖體為支點，以老頂巖層下層面斷裂線為軸的轉(zhuǎn)動下沉現(xiàn)象，這是造成回采工作面來壓運(yùn)動的根本原因，按照其原理建立如圖1所示的力學(xué)模型。

1-原始應(yīng)力區(qū)；2-彈變應(yīng)力區(qū)；3-殘余應(yīng)力區(qū)；4-塑性破壞區(qū)；εd-煤層極限彈性壓縮量；ymax-老頂巖層的極限擾度；Sb-采空區(qū)老頂巖塊頂板下沉量；L-老頂巖塊長度；Lc-來壓步距；Sm-老頂巖塊末端的下沉量；Sx-老頂巖塊來壓完成時在工作面上所形成的下沉量圖1 老頂巖層斷裂機(jī)理及斷裂位置

隨著工作面的回采，當(dāng)老頂巖塊由于自重對巖塊前端的正力矩高于液壓支架額定載荷對該老頂巖塊前端的反力矩時，老頂巖塊形成力矩差，隨即繞巖塊前端點產(chǎn)生轉(zhuǎn)動下沉，從而工作面產(chǎn)生來壓，巖塊來壓時的力矩表達(dá)式如下

(1)

式中：Pre—沿走向方向上，每米支架控制老頂巖塊移動所具備的工作載荷；Q—沿傾向方向上每米老頂巖塊的重力，Q=Lhγ；h—老頂巖層高度；γ—老頂巖層容重；L—老頂巖塊長度。

(2)

(3)

由公式(3)可知，支架工作阻力Pre與L、h、Sm有關(guān)，當(dāng)老頂斷裂長度越長、采高越大時，工作阻力越大。由于工作面頂板條件為厚硬頂板，所以其斷裂長度較長，且上方又是松散層，沒有關(guān)鍵層承擔(dān)上覆巖層，一旦頂板斷裂，上覆巖層會整體垮落，從而破壞了采空區(qū)、支架以及煤壁產(chǎn)生的力學(xué)體系，礦壓作用強(qiáng)烈。頂板來壓作用到支架頂梁，來壓大于支架的工作載荷，導(dǎo)致安全閥自動卸液(現(xiàn)場壓力表顯示壓力值為42 MPa，安全閥開啟壓力為36 MPa)，支架立柱不能起到有效的支撐作用，從而部分支架出現(xiàn)壓死現(xiàn)象。

2.2 強(qiáng)制放頂技術(shù)

1602(3)工作面初次回采壓架失敗后，對支架進(jìn)行了回撤，并經(jīng)研究重新制定了1602(3)復(fù)采設(shè)計方案，為了區(qū)別之前的綜采工作面，將復(fù)采工作面稱之為改造工作面。改造工作面系老頂直覆，老頂為中砂巖及粉細(xì)砂巖；為防止工作面采空區(qū)上方頂板過長，減輕老頂來壓時對工作面的影響，在前人研究的基礎(chǔ)上[4-7]，根據(jù)本工作面的地質(zhì)概況，采取對厚硬直覆頂板進(jìn)行松動爆破的方法處理采空區(qū)懸頂。探測1602(3)工作面頂板巖性為如圖2(a)所示，探孔位置如圖2(b)所示。

a-工作面頂板巖性；b-探孔位置圖2 工作面巖性柱狀圖

在工作面采空區(qū)側(cè)第三排支柱向煤壁0.2 m處頂板進(jìn)行打眼，炮眼采用單排眼直線式布置方式，炮眼深度1.5～2.2 m，也可根據(jù)現(xiàn)場具體情況適當(dāng)調(diào)整炮眼深度；眼距沿傾斜方向2.0～3.0 m(下端頭可根據(jù)情況加密炮眼)，炮眼的仰角為60°，根據(jù)前人研究成果[8-9]及上述建立的力學(xué)模型，將強(qiáng)制放頂間距定為10 m，即工作面每推進(jìn)10 m時即進(jìn)行一次強(qiáng)制放頂，如圖3所示。

a-平面圖；b-剖面圖圖3 強(qiáng)制放頂炮眼參數(shù)布置示意圖

2.3 工作面回采礦壓顯現(xiàn)特征的數(shù)值模擬研究

為了掌握1602(3)改造工作面頂板運(yùn)動及礦壓顯現(xiàn)基本規(guī)律，指導(dǎo)工作面頂板管理、安全生產(chǎn)，依據(jù)1602(3)改造工作面的地質(zhì)條件借助離散元數(shù)值模擬軟件(UDEC)對1602(3)高普面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及工作面支護(hù)質(zhì)量進(jìn)行全面的分析[10-11]。表2為各巖層力學(xué)參數(shù)。

表2 各巖層力學(xué)參數(shù)

在端面距、初撐力及其它條件都不變的情況下，分別模擬方案1、2、3、4(單根支柱額定工作阻力分別為150、200、250、300 kN，初撐力都為額定工作阻力的50%)，模擬結(jié)果如圖4所示。

a-每根支柱工作載荷P=150 kN；b-每根支柱工作載荷P=200 kN；c-每根支柱工作載荷P=250 kN；d-每根支柱工作載荷P=300 kN圖4 支柱工作阻力對工作面頂板穩(wěn)定性的影響

由圖4分析可得，當(dāng)每根支柱工作載荷為150 kN時，工作面產(chǎn)生煤壁片幫、頂板冒落現(xiàn)象；當(dāng)每根支柱工作載荷為200 kN時，工作面后排支柱被壓倒；當(dāng)每根支柱工作載荷為250 kN時，工作面礦壓顯現(xiàn)不明顯，采場上覆巖層得到有效控制。但后排支柱產(chǎn)生輕微傾斜，支柱上方存在破碎巖塊，增大了回柱工作的難度；當(dāng)每根支柱工作載荷為300 kN時，采場頂板沒有發(fā)生破壞變形，后排支柱穩(wěn)定性良好。因此，在同等條件情況下，支柱額定工作載荷與工作面頂板冒落程度呈反比，與頂板穩(wěn)定性呈正比。

按照1602(3)改造工作面安全生產(chǎn)要求，工作面每根支柱工作載荷應(yīng)大于250 kN，工作面將不會出現(xiàn)支柱壓倒及頂板冒落等現(xiàn)象。1602(3)高普面選用的是單體液壓支柱(DZ22-30/100型)結(jié)合金屬鉸接頂梁(HDJA-1000型)支護(hù)頂板，其額定工作載荷為300 kN，可確保工作面的安全回采。

3 工況實測

沿工作面傾向方向布置測站，其間距為10 m，觀測內(nèi)容以測站內(nèi)的支柱為觀測線，重點以前排和末前排支柱為觀測對象。沿工作面從下順槽向上依次用1、2、3、……、16表示觀測排，隨著采場推進(jìn)，依次回撤并向前支設(shè)，測點布置如圖5所示，并將其中一組觀測數(shù)據(jù)生成曲線如圖6所示。

圖5 測點布置圖

圖6 支柱工作阻力的平均值沿工作面方向的變化曲線

由圖6可知，支柱工作阻力沿工作面方向分布極不均勻，且工作阻力相對較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于本工作面支柱額定工作阻力34.6 MPa，說明本工作面支柱支護(hù)初撐力偏低或支護(hù)系統(tǒng)剛度偏大。但出于對工作面安全生產(chǎn)考慮，這樣的支護(hù)剛度確保了上提面的支護(hù)效果，對工作面安全生產(chǎn)起到了保障作用。

4 結(jié)論

(1)建立了厚硬頂板失穩(wěn)的力學(xué)模型，得出了支架工作阻力的關(guān)系式，支架工作阻力隨著頂板強(qiáng)度、采高的增大而增大，當(dāng)頂板強(qiáng)度、采高達(dá)到一定的極值時，會導(dǎo)致液壓支架立柱無行程，從而壓架。

(2)確定了強(qiáng)制放頂參數(shù)，即間排距為2.5 m×10 m；對厚硬頂板采用強(qiáng)制放頂后，人為縮短了直覆老頂?shù)钠茢嗑?，減小了砂巖頂板破斷時對下方支護(hù)體的作用力。

(3)采用數(shù)值模擬軟件模擬分析不同支護(hù)阻力的單體液壓支護(hù)對頂板的支護(hù)作用，確定了采用強(qiáng)制放頂措施后的單體液壓支柱型號。

(4)由現(xiàn)場工業(yè)化試驗可知，采用強(qiáng)制放頂措施后，砂巖直覆頂板得到較好的控制，保證了工作面安全高效回采。