炭窯峪煤業(yè)特厚煤層開采礦壓分析研究

李曉暉

(山西煤炭運銷集團炭窯峪煤業(yè)有限公司，山西 大同 037001)

1 工程背景

山西煤炭運銷集團炭窯峪煤業(yè)有限公司井田位于大同市南郊區(qū)口泉西南部，距大同市28 km，行政區(qū)劃屬大同市南郊區(qū)口泉鄉(xiāng)管轄，井田東西長約1.51 km，南北寬約1.23 km，井田面積為1.637 6 km2。炭窯峪煤業(yè)批準開采煤層18#～25#，開采深度由-1 520 mm～-1 020 m標高，批準生產規(guī)模60萬t/a，礦井設計服務年限為23.1年。19#～22#煤層首采工作面為22801工作面，工作面傾斜長155 m，主運輸順槽走向長849.8 m，回風順槽走向長911.7 m，工作面西部為同煤大唐塔山煤礦，北部相鄰七峰山煤業(yè)，南部為19#～22#層三條盤區(qū)大巷，東部為實體煤[1]。

22801工作面，沿煤層底板掘進工作面順槽巷道，工作面走向長度849.8 m，工作面傾斜長度155 m，工作面采用ZF13000/23/36型放頂煤支架，ZFG13000/23/36過渡支架,ZT20000/23/36端頭支架。22801工作面煤厚17.76 m～34.61 m，平均厚25.77 m，堅固性系數(shù)f=1.5～2，屬于中硬煤層，煤層走向N40°E，傾向N50°W，傾角10°～14°，煤層結構極復雜，含4層～21層夾矸，夾矸巖性為高嶺質泥巖、泥巖。19#～22#煤層賦存特征如表1所示。

表1 19#～22#煤層賦存情況

22801工作面是典型的淺埋煤層工作面，普遍存在大范圍片幫冒頂、頂板臺階下沉、支架壓毀等劇烈礦壓，煤礦開采過程安全隱患較多。本文主要通過對該礦22801工作面的周期來壓顯現(xiàn)、巷道移近量觀測等數(shù)據(jù)研究，從而掌握22801工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和特征，為22801工作面的機械化安全開采提供基礎[2-5]。

2 22801工作面礦壓觀測方案設計

22801工作面的觀測范圍分工作面測區(qū)和順槽測區(qū)兩個測區(qū)分別進行布置。

1)工作面測區(qū)每隔8架監(jiān)測一組支架，每架安裝一臺壓力分站，每架監(jiān)測3個壓力點，共安裝10臺壓力監(jiān)測分站(包括2副端頭支架)，可以實現(xiàn)支架支護阻力值的自動采集，每2 h進行一次觀測。

2)順槽測區(qū)在超前支護范圍內均勻取5個動態(tài)儀測點，對巷道頂?shù)装逡平繑?shù)據(jù)進行監(jiān)測，每2 h進行一次觀測。

3 22801工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

3.1 基本頂周期來壓步距

觀察工作面周期來壓期間的礦壓顯現(xiàn)情況，檢測結果表明，22801工作面周期來壓步距6 m～19 m，平均11.9 m。22801工作面基本頂周期來壓時動載系數(shù)最大為1.70，最小為1.06，平均1.28，來壓明顯。工作面具有大小周期現(xiàn)象，大周期來壓步距為40.25 m。工作面中部較工作面兩端頭來壓強度大，工作面中部支架周期來壓期間工作阻力普遍在8 000 kN以下，支架工作阻力達到額定工作阻力的80%。支架安全閥開啟率最大為25%，且安全閥主要在中部開啟，部分安全閥開啟率較高。支架并未出現(xiàn)壓架情況，說明支架額定工作阻力選擇相對合理[6]。

3.2 支架工作阻力情況分析

22801工作面周期來壓期間支架工作阻力曲線如圖1所示。通過圖1中數(shù)據(jù)可知，該工作面回采期間支架初撐力大于25 MPa，占比60.2%；初撐力小于25 MPa，占比39.8%，其中,初撐力小于5 MPa占4.7%比例，初撐力為5 MPa～10 MPa，占比17.6%，初撐力為15 MPa～25 MPa，占比17.5%。支架整體運行正常，沒有出現(xiàn)超出報警值的液壓支架，出現(xiàn)一定的增阻現(xiàn)象，需要加強工作面的支護管理。

圖1 工作面支架工作阻力曲線圖

3.3 工作面超前支承壓力規(guī)律分析

在22801工作面布置超前支承壓力測點8個，分析1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#測點，采用KSE鉆孔壓力記錄系統(tǒng)跟蹤各測點的超前支承壓力變化過程、單體支柱的承載力、活柱伸縮量，觀測數(shù)據(jù)如圖2～圖4所示。

圖2 運輸順槽支柱承載力、伸縮量與時間變化曲線圖

圖3 運輸順槽工作面距離與伸縮量變化曲線圖

圖4 回風順槽支柱承載力、伸縮量與時間變化曲線圖

3.3.1 調整期

回采推進至距離工作面62 m之前單體支柱的承載力逐漸降低，在加壓、礦山壓力釋放、采動影響作用下，單體支柱內部壓強進行有效調整，逐步達到平衡。

3.3.2 荷載增長期

回采推進至距離工作面15 m～62 m時，頂板移動量、支柱承載力表現(xiàn)為迅速增大趨勢，運輸順槽、回風順槽最大承載力分別為19.7 MPa、25.8 MPa。特別是推進至50 m～15 m區(qū)段時頂板移動量、支柱承載力增長幅度較大。

3.3.3 穩(wěn)定階段

回采繼續(xù)推進至距離工作面15 m處時，單體液壓支柱承載力達到最大值，并處于穩(wěn)定階段。

3.4 巷道移近量觀測結果綜合分析

從巷道兩幫移近量監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，工作面回采期間，順槽巷道頂板完整性較好，回采距離工作面9.5 m時，頂板下沉量僅為1.1 cm。當推進距工作面40 m處時，巷道兩幫移近量表現(xiàn)出增大趨勢，當推進距工作面24.2 m處時，巷道兩幫移近量趨于穩(wěn)定，移近量最大為4.9 cm。從22801工作面現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，巷道兩幫移近量較小，巷道圍巖穩(wěn)定性較好，支護方案穩(wěn)定有效，當推進距離工作面較近時，兩幫出現(xiàn)有片幫現(xiàn)象，需加強支護管理。

4 結論

1)采用工作面礦壓監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場實測液壓支架工作阻力，得到工作面穩(wěn)定期周期來壓步距平均為11.9 m，工作面具有大小周期現(xiàn)象，大周期來壓步距為40.25 m。液壓支架正常運行無報警預警支架，支架初撐力未達到小于25 MPa的占39.8%比例，末阻力比初撐力稍大，出現(xiàn)有一定的增阻現(xiàn)象。因此在開采后期需要加強支護管理，防止支架壓死安全隱患的出現(xiàn)。

2)超前支承壓力影響范圍60 m～65 m，回采推進至工作面15 m～50 m時，巷道超前支承壓力表現(xiàn)為較為明顯增加趨勢，回采至工作面15 m處時，超前支承壓力趨于穩(wěn)定。

3)對巷道移近量觀測數(shù)據(jù)分析可知，22801工作面回采過程中，巷道兩幫移近量較小，巷道圍巖穩(wěn)定性較好，支護方案穩(wěn)定有效，當推進距離工作面較近時，兩幫出現(xiàn)有片幫現(xiàn)象，需加強支護管理