復(fù)雜條件大采高綜采面礦壓規(guī)律及圍巖控制技術(shù)*

楊 勇

（陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司技術(shù)中心，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 工作面概況

9711工作面西鄰9804采空區(qū)，南靠9814設(shè)計(jì)工作面，東接9711工作面（東），工作面上覆局部區(qū)域?yàn)?#煤層采空區(qū)，層間距35.8 m。工作面埋深364～417 m，平均390.5 m，走向長(zhǎng)度平均462 m，傾斜長(zhǎng)220 m。工作面共布置進(jìn)風(fēng)順槽、回風(fēng)順槽、低位抽放巷和高位抽放巷四條回采巷道。該工作面煤層傾角2°～6°，平均4°，煤層厚度5.2～5.9 m，平均5.4 m；以8#+9#煤為主，局部存在8#、9#分叉區(qū)，大部分回采區(qū)域夾矸厚度較薄，夾矸一般為多層，累計(jì)厚度小于0.3 m。切巷以東408 m至停采線為8#、9#煤分叉區(qū)域，靠近停采線位置層間距最大增厚至3.0 m。9711工作面存在小型褶曲構(gòu)造，煤層傾角發(fā)生變化，不僅兩順槽高度有一定的起伏，工作面局部存在仰采、俯采情況，易造成設(shè)備管控困難。工作面位置及煤層厚分布見(jiàn)圖1。

圖1 9711工作面位置及煤層厚度分布

工作面老頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度6.3 m，灰色，成份以石英為主；直接頂為砂質(zhì)泥巖、泥巖，平均厚度7.8 m，水平層理，含砂量上多下少，含植物化石。9711工作面是開(kāi)元礦首個(gè)采用一次采全高大采高綜采工藝的工作面。工作面采用MG750/1900-GWD型機(jī)組雙向割煤，ZY8000/26/56D兩柱掩護(hù)式綜采支架管理頂板，最大割煤高度為5.6 m。

2 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實(shí)測(cè)分析

2.1 礦壓測(cè)站布置

9711工作面采用礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面支架工作阻力、煤體應(yīng)力。在工作面共布置10個(gè)支架壓力和活柱伸縮量測(cè)點(diǎn)，支架號(hào)分別為：1#、10#、25#、40#、55#、70#、85#、100#、115#、128#支架。在9711工作面運(yùn)輸順槽超前切眼200 m的實(shí)體煤側(cè)（內(nèi)幫）和煤柱側(cè)（外幫）各安裝一組鉆孔應(yīng)力計(jì)，用于監(jiān)測(cè)工作面開(kāi)采過(guò)程中超前支承壓力的分布規(guī)律和煤柱應(yīng)力以及側(cè)向支承壓力的分布規(guī)律，分析煤柱尺寸的合理性，見(jiàn)圖2。

圖2 9711工作面礦山壓力監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

2.2 支護(hù)質(zhì)量分析

支架的初撐力直接影響到支架的支護(hù)效果，合理的初撐力對(duì)防止頂板離層、工作面煤壁的片幫起著重要作用。9711工作面支架額定初撐力為6 395 kN（31.5 MPa），支架實(shí)際平均初撐力為3 193 kN，折合15.77 MPa，達(dá)不到規(guī)定的額定初撐力80%的要求。在正常回采后，經(jīng)過(guò)加強(qiáng)支護(hù)質(zhì)量管理，支架初撐力大幅度提高，見(jiàn)圖3。

圖3 支架平均初撐力分布

支架循環(huán)末阻力是指一個(gè)采煤循環(huán)結(jié)束時(shí)，在下一循環(huán)開(kāi)始移架前的支架工作阻力。一般為該循環(huán)內(nèi)支架的最大工作阻力。工作面支架平均末阻力為4 876 kN，支架最大末阻力平均為7 407 kN，占支架額定工作阻力92.58%；支架額定工作阻力能夠滿足來(lái)壓期間工作面的支護(hù)需要，且有足夠富余量。

圖4 支架末阻力分布

圖5 工作面正常回采期間各支架循環(huán)增阻情況統(tǒng)計(jì)

工作面支架循環(huán)增阻量界于583～1 600 kN，平均為916 kN，循環(huán)增阻率界于13.3%～31.57%，平均為21.42%，見(jiàn)圖5。支架增阻不顯著，說(shuō)明支架初撐力提高后，支架受力狀況明顯改善，并有效控制了頂板下沉。

2.3 支架工作阻力頻率分布

支架工作阻力頻率能夠很好的反映支架的工作狀態(tài)是否在合理的工作區(qū)間，進(jìn)而判斷支架的適應(yīng)性。各支架工作阻力的頻率分布見(jiàn)圖6。分析可知，支架工作阻力主要分布在3 000～6 000 kN范圍內(nèi)，該比例為66.18%；工作阻力峰值區(qū)間為4 000～5 000 kN，所占比例為30.8%；在7 000～8 000 kN范圍的工作阻力平均僅占2.72%,安全閥開(kāi)啟較少。支架工作阻力頻率分布整體呈現(xiàn)正態(tài)分布，支架工作阻力頻率分布合理，支架適應(yīng)性較好。

圖6 工作面支架平均工作阻力頻率分布直方圖

2.4 周期來(lái)壓特征分析

大采高工作面下位關(guān)鍵層即基本頂?shù)钠茢啵环矫鏁?huì)引起工作面礦壓顯現(xiàn)，表現(xiàn)為工作面初采來(lái)壓或周期來(lái)壓，工作面支架載荷明顯增大，另一方面由于上覆巖層的破斷或裂隙發(fā)育，導(dǎo)致工作面瓦斯釋放量增大。9711工作面沿6#煤層底板布置走向高抽巷用于抽采采空區(qū)瓦斯，垂直方向上距離8#煤層21 m，水平方向與回風(fēng)順槽內(nèi)錯(cuò)44 m。高抽巷層位位于工作面下位基本頂與上位基本頂之間的軟弱巖層當(dāng)中。因此高抽巷瓦斯的抽放效果與下位基本頂?shù)钠茢嘀苯酉嚓P(guān)，并伴隨下位基本頂?shù)闹芷谛云茢喽尸F(xiàn)同步的周期性。由于工作面上覆巖層破斷難以直接觀測(cè)，因此可用工作面周期來(lái)壓規(guī)律和高抽巷瓦斯抽放規(guī)律來(lái)分析工作面覆巖破斷規(guī)律。

根據(jù)瓦斯抽放純量的周期性變化判斷得出的基本頂周期垮斷特征分析，基本頂周期垮斷步距界于9～18 m，平均為12.7 m。而由工作面礦壓數(shù)據(jù)分析，工作面直接頂垮斷步距為8～9 m，基本頂初次來(lái)壓步距平均為28.1 m，基本頂周期來(lái)壓步距平均為12.6 m。可見(jiàn)，根據(jù)高抽巷瓦斯抽采純量和工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律判斷得出的覆巖破斷規(guī)律基本相符。

3 大采高采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

根據(jù)9711工作面覆巖結(jié)構(gòu)綜合柱狀圖頂板結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵巖層判斷結(jié)果，工作面直接頂由平均厚度為1.0 m的泥巖和平均厚度為6.8 m的砂質(zhì)泥巖構(gòu)成，總厚度平均為7.8 m，基本頂為6.3 m厚的細(xì)粒砂巖，煤層總厚度平均為5.4 m，工作面實(shí)際采高取5.0 m。根據(jù)工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實(shí)測(cè)分析結(jié)果，基本頂?shù)闹芷诳鍞嗖骄嗳?2 m。

圖7 大采高采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

9711工作面大采高采場(chǎng)“砌體梁”覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型見(jiàn)圖7。根據(jù)“砌體梁”理論，在工作面走向方向上，周期斷裂后的基本頂巖塊B與前方未發(fā)生垮斷的巖塊A在水平推力作用下形成鉸接關(guān)系，并承擔(dān)上覆巖層載荷。隨著工作面不斷向前推進(jìn)，基本頂巖塊形成的“砌體梁”結(jié)構(gòu)發(fā)生周期性失穩(wěn)，從而在采場(chǎng)形成周期來(lái)壓現(xiàn)象[1]。“砌體梁”結(jié)構(gòu)是采場(chǎng)上覆巖層的大結(jié)構(gòu)，而真正對(duì)工作面礦壓顯現(xiàn)影響較大的卻是“砌體梁”結(jié)構(gòu)中的幾個(gè)關(guān)鍵塊體[2]。關(guān)鍵塊是否穩(wěn)定及其失穩(wěn)形態(tài)對(duì)分析工作面礦壓規(guī)律十分重要。

大采高工作面開(kāi)采空間大，直接頂難以充實(shí)采空區(qū)，原來(lái)的基本頂斷裂后難以觸矸，巖塊A和B在水平方向上失去力學(xué)聯(lián)系，原來(lái)的砌體梁結(jié)構(gòu)變成懸臂梁結(jié)構(gòu)，塊體間無(wú)相互擠壓作用力，巖塊破斷后在采空區(qū)規(guī)則排列，對(duì)采場(chǎng)起到保護(hù)作用的砌體梁結(jié)構(gòu)向更上層位巖層發(fā)展。

更高層位的C12關(guān)鍵巖層垂直方向上距離9#煤層工作面較遠(yuǎn)，在C12和C7巖層之間間隔有3#煤層采空區(qū)，上方砌體梁結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)空間小，周期性破斷的動(dòng)載小，且3#煤層冒落帶對(duì)上方砌體梁結(jié)構(gòu)周期性失穩(wěn)起到很大的緩沖作用，再加之，C12、C13、C14巖層已受到3#煤層開(kāi)采破壞，巖層破斷應(yīng)力也得到很大程度釋放。因此，綜合以上因素分析認(rèn)為，C12、C13、C14巖層組成的砌體梁結(jié)構(gòu)對(duì)9#煤層采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的影響程度有限。9#煤層采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)主要受到上位和下位基本頂周期性破斷失穩(wěn)的作用，因而形成了開(kāi)元礦9711大采高工作面特殊的 “懸臂梁+鉸接巖梁”覆巖結(jié)構(gòu)模型，見(jiàn)圖7。

4 工作面圍巖控制技術(shù)措施

4.1 加快工作面推進(jìn)速度

盡量加快工作面推進(jìn)速度，減小每循環(huán)的頂板下沉總量，控制煤壁片幫[3]。一方面應(yīng)提高外運(yùn)系統(tǒng)的能力，并保證采區(qū)內(nèi)大采高工作面優(yōu)先出煤，另一方面盡量減小各種不正常事故導(dǎo)致的工作面停產(chǎn)，當(dāng)出現(xiàn)事故時(shí)要及時(shí)處理，盡可能的縮短停產(chǎn)時(shí)間。

4.2 加強(qiáng)支架管理

加強(qiáng)支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)，及時(shí)對(duì)支架進(jìn)行二次注液，保證支架具有足夠的初撐力和支護(hù)阻力，減小煤幫壓力，提高“支架—圍巖”體系的整體剛度，確保良好的支架位態(tài)[4-6]。

4.3 控制割煤質(zhì)量

不留頂煤，保持煤壁平直，割煤時(shí)上滾筒要貼近頂板割煤，不留頂煤，使煤壁平直，以使護(hù)幫板緊貼煤壁，發(fā)揮作用。

4.4 控制采高

嚴(yán)格控制割煤高度。正常條件下，嚴(yán)格控制割煤高度，不超高開(kāi)采[7]。過(guò)斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造破碎帶時(shí)，煤壁穩(wěn)定性難度加大，應(yīng)適當(dāng)降低采高。

4.5 注漿加固提高煤層強(qiáng)度

根據(jù)9711工作面煤壁片幫觀測(cè)，煤壁片幫主要發(fā)生在1#—90#支架范圍內(nèi)；31#—90#支架范圍的工作面中部煤體片幫主要與工作面中部頂板壓力大有關(guān)；1#—30#支架范圍的工作面下部煤體片幫主要與進(jìn)風(fēng)順槽位于3#煤層遺留區(qū)段煤柱下方應(yīng)力集中有關(guān)。根據(jù)煤壁片幫特點(diǎn)，對(duì)工作面中部煤體采取局部淺孔注漿和進(jìn)風(fēng)順槽側(cè)超前注漿加固端頭三角煤結(jié)合的注漿方式。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及驗(yàn)證，對(duì)開(kāi)元礦大采高工作面礦壓規(guī)律進(jìn)行了研究，提出了相應(yīng)圍巖控制技術(shù)，結(jié)論如下：

1）9711工作面由于工作面機(jī)頭超前推進(jìn)，直接頂初次垮落呈現(xiàn)從機(jī)頭向機(jī)尾方向依次垮落的規(guī)律，基本頂初次來(lái)壓步距28.1 m，周期來(lái)壓步距分12.6 m。

2）工作面初采期間支架平均初撐力為15.77 MPa，初撐力偏低，正常回采期間，隨著支架初撐力管理加強(qiáng)，工作面支架初撐力整體有了較大提高。

3）工作面支架循環(huán)增阻量平均為916 kN，循環(huán)增阻率平均為21.42%，增阻不顯著，說(shuō)明支架初撐力提高后，支架受力狀況明顯改善，并有效控制了頂板下沉。

4）建立了開(kāi)元礦大采高工作面“懸臂梁+鉸接巖梁”覆巖結(jié)構(gòu)模型，下位基本頂由于回轉(zhuǎn)失穩(wěn)無(wú)法形成鉸接結(jié)構(gòu)而形成懸臂梁，上位基本頂滿足穩(wěn)定條件能夠形成砌體梁結(jié)構(gòu)。

5）針對(duì)煤壁片幫原因和影響因素提出了加快工作面推進(jìn)速度、加強(qiáng)支護(hù)質(zhì)量管理、控制割煤質(zhì)量和采高等技術(shù)措施，效果良好。