淺埋厚煤層綜采強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)機(jī)理及協(xié)同控制

溫大江

（國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司哈拉溝煤礦 陜西榆林 719315）

厚煤層儲(chǔ)量和產(chǎn)量占我國(guó)煤炭開(kāi)采的45%，作為主采煤層，其安全高效開(kāi)采具有重要意義[1]。我國(guó)中西部厚煤層開(kāi)采具有采高大、埋深淺、工作面尺寸大等特點(diǎn)，其覆巖活動(dòng)規(guī)律和采場(chǎng)控制具有特殊性[2]，工作面常會(huì)發(fā)生支架活柱急劇下縮甚至壓架等動(dòng)載礦壓災(zāi)害事故，嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)[3]。針對(duì)淺埋厚煤層開(kāi)采課題，專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了廣泛研究，主要集中在開(kāi)采覆巖裂隙發(fā)育和采場(chǎng)應(yīng)力分布方面[4]。由于一次采出空間大、推進(jìn)速度快等采場(chǎng)環(huán)境，淺埋大采高工作面頂板破斷特征和采場(chǎng)控制需要進(jìn)一步研究，來(lái)提高開(kāi)采的安全高效。

本文以某礦22520 綜采面為研究對(duì)象，針對(duì)典型的淺埋厚煤層開(kāi)采條件，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬和理論分析方法研究覆巖破斷特征和應(yīng)力演化，得到該條件下開(kāi)采采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律并提出協(xié)同控制措施，為類(lèi)似條件煤層安全高效開(kāi)采提供指導(dǎo)。

1 生產(chǎn)概況

該礦22520 綜采面位于22 煤五盤(pán)區(qū)，走向長(zhǎng)度4 001 m，傾向長(zhǎng)度為280.8 m。工作面南西為22519綜采面采空區(qū)，與采空區(qū)間有15 m 的煤柱，北西為井田邊界、北東為備采面22521 綜采面，東南為22 煤中央輔運(yùn)大巷，工作面與中央輔運(yùn)大巷間留有128.6 m～304.8 m 煤柱。22 煤層埋深 66 m～149 m，平均厚度5.42 m，煤層傾角1°～3°。基本頂為石英長(zhǎng)石，平均厚度12.36 m，灰白色，抗壓強(qiáng)度57.8 MPa；直接頂為粉砂巖，淺灰色，平均厚度0.95 m，抗壓強(qiáng)度33.4 MPa；直接底為泥巖，灰黑色，平均厚度6.6 m。

采用綜采一次采全高采煤法，全部垮落法管理采空區(qū)頂板，采高5.3 m，循環(huán)進(jìn)尺0.865 m。工作面選用EKF SL1000/6.3m/6557型采煤機(jī)、德國(guó)DBT 3×1000的刮板輸送機(jī)及配套的525 kW 轉(zhuǎn)載機(jī)、525 kW 破碎機(jī)各一臺(tái)，配備英國(guó)RMI 公司生產(chǎn)的乳化液泵及噴霧泵，乳化液泵為四泵兩箱，功率為4×280 kW，流量為430 L/min；噴霧泵為三泵一箱，功率為3×112 kW，流量為423 L/min。

2 頂板破斷特征和應(yīng)力演化規(guī)律

2.1 淺埋厚煤層開(kāi)采采場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征

選用UDEC 軟件建立淺埋厚煤層開(kāi)采采場(chǎng)模型，采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則[5]。模型尺寸200 m×50 m，兩邊各留50 m 邊界煤柱，底部及左右兩側(cè)為位移邊界，上部施加2.5 MPa均布載荷。

開(kāi)挖得到不同推進(jìn)距離處覆巖垮落運(yùn)移規(guī)律，推進(jìn)15 m、25 m、35 m、45 m時(shí)覆巖破斷結(jié)構(gòu)演化圖如圖1所示。

圖1 采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)演化

由圖1 可知，由于采高大，采空區(qū)不能被有效充填，直接頂和基本頂破斷垮落后出現(xiàn)大幅下沉。當(dāng)推進(jìn)15 m 時(shí)（圖1a），直接頂出現(xiàn)彎曲下沉但未破斷；工作面推進(jìn)25 m 時(shí)（圖1b），直接頂初次破斷，跨落后充填于采空區(qū)內(nèi)，此時(shí)采空區(qū)未被充滿(mǎn)。當(dāng)工作面推進(jìn)35 m 時(shí)（圖1c），基本頂初次破斷垮落，形成砌體梁結(jié)構(gòu)，工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，工作面出現(xiàn)明顯下沉；工作面繼續(xù)推進(jìn)（圖1d），直接頂和基本頂?shù)闹芷谛钥迓洹?/p>

2.2 淺埋厚煤層開(kāi)采采場(chǎng)應(yīng)力演化

圖2 工作面超前支承壓力分布圖

工作面超前支承壓力變化見(jiàn)圖2，由圖2 可知，工作面頂板超前支承壓力影響范圍約為45 m～50 m，受支承壓力劇烈影響長(zhǎng)度最小距離為4.34 m，最大長(zhǎng)度為22.78 m，平均為17 m。工作面回采50 m時(shí)，采空區(qū)出現(xiàn)高應(yīng)力值點(diǎn)，當(dāng)工作面回采時(shí)，采空區(qū)垮落巖層逐步壓實(shí)，工作面上覆巖層壓力逐漸向采空區(qū)轉(zhuǎn)移。

由圖3 分析可知，超前支承壓力峰值隨推進(jìn)而逐漸增大，超前支承壓力峰值最大為17.50 MPa，最小為10.36 MPa，平均值為14.96 MPa；應(yīng)力集中系數(shù)最大為2.19，最小為1.30，平均值為1.87。

3 支架支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算

（1）所需支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算（經(jīng)驗(yàn)公式）[6]

P=9.8khrkN/m2

式中：P—工作面合理的支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2；

h—采高為5.3 m；

r—上覆巖層容重平均2.31 t/m3；

k—支護(hù)上覆巖層厚度與采高之比，一般為4～8，取7倍計(jì)算[6]，則：

P=9.8×7×5.3×2.31=840（kN/m2）=0.84 MPa

（2）所需支護(hù)阻力驗(yàn)算

工作阻力應(yīng)滿(mǎn)足頂板支護(hù)強(qiáng)度要求，即支架工作阻力由支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)面積所決定[6]。

式中F—支架所需工作阻力；kN

q—工作面最大支護(hù)強(qiáng)度，取0.9 MPa；

S—支架的支護(hù)面積，m2。

式中L—支架頂梁長(zhǎng)度，4.49 m；

C—端面距，0.660 m；

B—截深，0.865 m；

b—支架中心距，1.75 m；

K1—架間距，0.05 m。

F=0.9×6.015×1.8×103=9744.3 kN

選用鄭煤ZY10800/28/63 二柱掩護(hù)式液壓支架，配套支架工作阻力分別為10 800 kN，基本滿(mǎn)足要求。

據(jù)測(cè)22520工作面距切眼213.5 m～1151.7 m區(qū)域上覆為12204、12202、12201采空區(qū)、空巷及順槽煤柱，上述工作面均采用大采高一次采全高工藝，回采的12煤平均厚度2 m，工作面區(qū)段煤柱寬度15 m。上覆采空區(qū)與22520工作面層間距21.8 m～28.2 m，影響推進(jìn)距離938.2 m。過(guò)上覆采空區(qū)集中煤柱期間可能會(huì)出現(xiàn)動(dòng)載礦壓壓架、涌水增大、氣體異常等隱患，需編制專(zhuān)項(xiàng)安全技術(shù)措施，采取協(xié)同控制措施。

4 支架適應(yīng)性的工業(yè)性試驗(yàn)

在22520工作面中部145 m處布置測(cè)點(diǎn)，對(duì)回采期間礦壓顯現(xiàn)及支架工作狀況進(jìn)行檢測(cè)，得到如圖4所示工作阻力變化。

圖4 支架工作阻力變化

如圖4 所示，在工作面回采140 m 的過(guò)程中，工作面共經(jīng)歷8 次來(lái)壓，來(lái)壓步距最大為16 m，最小為9.6 m，平均為11.9 m；工作面來(lái)壓時(shí)的影響范圍為0.8 m～3.2 m，平均影響范圍為2.0 m；工作面平均動(dòng)載系數(shù)為1.29，來(lái)壓期間支架最大工作阻力為9 804.88 kN，平均工作阻力為8 341.52 kN，分別占額定工作阻力的90.7%和77.2%，表明來(lái)壓期間工作面支架支護(hù)能力好，支架工作阻力的富余量較大。

圖5 22520工作面液壓支架的工作特性

對(duì)圖5支架工作特性分析，22520工作面液壓支架主要處于增阻和恒阻的狀態(tài)，頻率分別為52.42%和20.16%，這表明液壓支架運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)良好，能夠較好的適應(yīng)淺埋厚煤層地質(zhì)條件。

5 結(jié)論

（1）淺埋厚煤層開(kāi)采，采空區(qū)空間大，超前支承壓力峰值最大為17.5 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)最大為2.19，礦壓顯現(xiàn)劇烈。

（2）通過(guò)強(qiáng)度驗(yàn)算，選用ZY10800/28/63 掩護(hù)式液壓支架，來(lái)壓期間支架最大工作阻力為9 804.88 kN，處于增阻和恒阻的頻率分別為52.42%和20.16%，表明工作面支架支護(hù)能力好。

（3）過(guò)上覆采空區(qū)集中煤柱期間可能出現(xiàn)動(dòng)載礦壓壓架、涌水增大、氣體異常等隱患，提出協(xié)同控制方法，有效控制了頂板。