龐龐塔礦綜放面覆巖破壞特征與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

楊云剛

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，厚煤層占我國(guó)現(xiàn)有煤炭?jī)?chǔ)量和產(chǎn)量的40%以上。厚煤層具有儲(chǔ)量大、賦存穩(wěn)定、易實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)等特點(diǎn)，是我國(guó)的優(yōu)質(zhì)煤炭資源。因此，科學(xué)合理的厚煤層開采技術(shù)和方法是保證厚煤層煤炭資源高效安全開采的前提［1-2］。目前，厚煤層開采主要采用綜合機(jī)械化放頂煤開采方法，簡(jiǎn)稱綜放開采，其具有推采速度快、巷道掘進(jìn)量和工作面搬家次數(shù)少、噸煤成本低、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［3］。我國(guó)在上世紀(jì)90年代開始研制開發(fā)綜放支架和綜放開采方法，自此，綜放開采技術(shù)進(jìn)入一個(gè)高效發(fā)展的階段，在路安、陽(yáng)煤、兗礦的煤業(yè)集團(tuán)形成了一批以綜放開采為主的大型礦區(qū)［4］。盡管綜放采煤法得到了快速發(fā)展，但因綜放開采一次性采出煤層厚，形成采空范圍大，其覆巖破壞程度劇烈、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律復(fù)雜［5］等原因，其應(yīng)用起來(lái)仍具有一定的局限性。龐龐塔10#煤層某工作面煤層平均厚度11.8 m，煤層傾角3°～12°（近水平煤層），工作面采用綜放開采方法，采高3.2 m，采放比在1∶2～1∶3 之間，在工作面回采期間，出現(xiàn)煤壁片幫和局部冒頂現(xiàn)象，直接影響到煤礦的高效生產(chǎn)。為此，本文以該工作面綜放開采為工程背景，通過(guò)分析龐龐塔礦綜放面覆巖破壞特征與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為工作面開采和支架選型提供參考。

1 工程背景

龐龐塔礦開采井田位于山西臨縣程家塔和吉家莊一帶，井田面積為98.535 35 km2，可采煤層包括5#上、5#、9#和10#煤層。其中10#煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，煤層賦存厚度在3.60～13.30 m之間，平均9.56 m，煤層含1～4 層夾矸（炭質(zhì)泥巖），厚度在0.1～0.4 m 之間，該煤層頂板巖層主要為泥巖和石灰?guī)r，底板巖層主要為泥巖。試驗(yàn)工作面開采10#煤層，煤層平均厚度11.8 m，埋深約328 m，工作面走向和傾向長(zhǎng)度分別為2076 和185 m，10#煤層上方有一層0.5 m 厚的偽頂炭質(zhì)泥巖，直接頂為6.69 m 厚的灰?guī)r，基本頂為8.71 m厚的砂巖；直接低為1.89 m 厚的泥巖，基本底為2.0 m 厚的細(xì)粒砂巖。工作面開采儲(chǔ)量5.24 Mt，工作面采用的采煤機(jī)、前后刮板機(jī)、液壓支架型號(hào)分別為MG500/1140-WD、SGZ-800/750、SGZ-1000/1400、ZF12000/22/35。

2 綜放面覆巖破壞特征

為充分了解試驗(yàn)工作面覆巖破壞特征，基于工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用UDEC數(shù)值模擬軟件建立長(zhǎng)400 m、高300 m 的工作面開采模型，模型自邊界120 m 處開挖以減小邊界效應(yīng)的影響，開挖厚度12 m，每次開挖10 m。圖1 中（a）～（f）分別給出了開挖20 m、40 m、60 m、80 m、100 m 和120 m 時(shí)對(duì)應(yīng)的工作面覆巖破壞特征。

圖1 中隨工作面的不斷開挖，上覆巖層逐漸冒落破斷。當(dāng)工作面開挖20 m 時(shí)，直接頂巖層發(fā)生拱形冒落，基本頂巖層及上覆巖層變形量相對(duì)較小；當(dāng)工作面開挖至40 m 時(shí)，直接頂巖層大范圍冒落，隨著懸空跨距的不斷增加，基本頂巖層回轉(zhuǎn)下沉，巖層所承受的極限應(yīng)力超過(guò)了其承載能力，巖層出現(xiàn)初次垮落破斷，這就形成了工作面初期來(lái)壓。同時(shí)，基本頂巖層與上方覆巖出現(xiàn)較大的離層現(xiàn)象，此時(shí)的覆巖移動(dòng)主要發(fā)生在采空區(qū)上方，暫時(shí)沒(méi)有傳遞到工作面前方覆巖；當(dāng)工作面開挖至60 m 時(shí)，基本頂出現(xiàn)第二次垮落破斷，形成了第一次周期來(lái)壓現(xiàn)象，同時(shí)，破斷的巖體出現(xiàn)滑落失穩(wěn)，基本頂巖層與上覆巖層的離層量繼續(xù)增大，垮落的巖體形成臺(tái)階狀分布；當(dāng)工作面開挖至80 m 時(shí)，基本頂?shù)诙沃芷趤?lái)壓，此時(shí)，基本頂上覆的巖層也出現(xiàn)了破斷，覆巖位移量大幅度增加，相對(duì)離層明顯，同時(shí)，大范圍的覆巖運(yùn)動(dòng)，造成了工作面前方覆巖運(yùn)動(dòng)，影響范圍約10 m，從而導(dǎo)致了工作面礦壓顯現(xiàn)嚴(yán)重；隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，基本頂巖層周期性破斷，工作面前方覆巖向采空區(qū)出現(xiàn)明顯水平位移，在達(dá)到充分采動(dòng)前，覆巖破壞繼續(xù)向上傳遞。

圖1 不同開挖進(jìn)度對(duì)應(yīng)的工作面覆巖破壞特征

3 綜放面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

為充分了解試驗(yàn)工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，監(jiān)測(cè)了工作面液壓支架工作阻力情況，其中，液壓支架初撐力設(shè)計(jì)為7.7×103kN，圖2 中（a）～（c）分別給出了工作面上部、中部和下部某架液壓支架平均工作阻力變化曲線圖。

圖2（a）中位于工作面上部的基本頂上覆巖層周期來(lái)壓步距約為16.9 m，其動(dòng)載系數(shù)平均為1.13，來(lái)壓影響范圍約5.5 m，在長(zhǎng)度為160.8 m的回采作業(yè)中，最大工作阻力為8.9×103kN，其平均工作阻力為7.5×103kN，占支架額定阻力的61.8%。圖2（b）中位于工作面中部的基本頂上覆巖層周期來(lái)壓步距約為22.0 m，其動(dòng)載系數(shù)平均為1.19，來(lái)壓影響范圍約7.9 m，在長(zhǎng)度為160.8 m的回采作業(yè)中，最大工作阻力為9.2×103kN，其平均工作阻力為7.4×103kN，占支架額定阻力的61.6%。圖2（c）中位于工作面下部的基本頂上覆巖層周期來(lái)壓步距約為16.4 m，其動(dòng)載系數(shù)平均為1.37，來(lái)壓影響范圍約5.7 m，在長(zhǎng)度為160.8 m的回采作業(yè)中，最大工作阻力為9.5×103kN，其平均工作阻力為8.9×103kN，占支架額定阻力的66.8%。綜上所述，工作面周期來(lái)壓步距在16.4～22.0 m，與數(shù)值模型得到的周期來(lái)壓步距20 m相吻合，驗(yàn)證了綜放面覆巖破壞特征分析的合理性。此外，通過(guò)實(shí)測(cè)表明，受煤層傾角影響，處于中下部的工作面礦壓顯現(xiàn)相對(duì)嚴(yán)重，工作面中部周期來(lái)壓步距最大，影響范圍最大，下部工作面支架工作阻力最大，動(dòng)載系數(shù)最大。

圖2 液壓支架平均工作阻力變化曲線

4 結(jié)論

1）厚煤層綜放開采一次性采出空間大，導(dǎo)致覆巖破壞劇烈、礦壓顯現(xiàn)劇烈，隨著工作面開挖范圍的增加，其影響范圍逐漸擴(kuò)展至工作面前方覆巖。

2）通過(guò)對(duì)支架工作阻力實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，處于工作面中下部礦壓顯現(xiàn)相對(duì)嚴(yán)重，其中，工作面中部周期來(lái)壓步距最大，影響范圍最大，工作面下部支架工作阻力最大，動(dòng)載系數(shù)最大。

3）通過(guò)采用UDEC數(shù)值模擬和工作面液壓支架工作阻力情況監(jiān)測(cè)，得到工作面周期來(lái)壓步距為16.4～22.0 m，為龐龐塔礦綜放工作面開采頂板管理提供了科學(xué)依據(jù)。