大面長工作面初采期礦壓顯現規律研究
——以袁店一井煤礦為例

張 旭,陳登紅,魯德沛

(1.淮北礦業集團有限責任公司安全監察局, 安徽 淮北 235000;2.安徽理工大學礦業工程學院, 安徽 淮南 232001)

1 引言

近年來,隨著淺部煤炭資源的開采日益減少,井工類采礦活動逐步向著深部開掘,為了減少遺留煤柱煤炭資源的損失,增加工作面開采長度不僅解決了遺留煤柱多,更減少了采煤作業工作面搬家倒面的次數,因而提高了煤炭開采率,減少了成本投入。工作面面長的增加和智能化煤炭開掘技術的選取是現代采礦中破解煤炭生產能力瓶頸的主要方法[1-3]。工作面面長增加,礦壓顯現規律和小面長有較大差異,大面長工作面礦壓顯現規律是保證大面長工作面安全作業的保障。宋選民等采用工業開采試驗與觀測研究,探求了工作面長度的增加對礦壓顯現強度的影響規律[4]。王國法等采用現場實測和理論計算的方法,研究分析了深井厚煤層超長工作面的支護應力特性,得出工作面支護應力出現“M”型三峰值可作為超長工作面的判據[5]。王家臣等針對深井超長工作面異常礦壓常發生、難預測的問題,分析得出了工作面長度增加導致基本頂中部存在裂隙的概率升高,增大了基本頂在工作面中部發生局部破斷的可能性[6-7]。繆協興等采用模擬試驗和現場實測的方案,得出隨著超長綜放工作面長度的增加,采場覆巖關鍵層的破裂塊度將相應減小,但主關鍵層會發生來壓現象[8]。以安徽省淮北市濉溪縣五溝鎮袁店一井煤礦為工程為例,運用理論計算、現場觀測等方法,合理確定了袁店一井煤礦3221工作面初期礦壓顯現規律的分析,為工程背景相似的礦井提供理論依據。

2 地質概況

淮北礦業股份有限公司袁店一井煤礦位于安徽省淮北市濉溪縣五溝鎮。3221工作面地質構造較為復雜,煤層傾角在4～17°之間,平均傾角為9°,地面標高+25.72～+28.21 m,埋深323.9～411.8 m。3221綜采工作面煤層較穩定,煤層厚度1.19～3.52 m,平均2.59 m,屬中厚煤層,為綜合機械化開采工藝。工作面位置及井上下關系見表1。

表1 工作面位置及井上下關系

3 現場礦壓分析

初采期間工作面從距開切眼開始推至距開切眼38.7 m,收集所得的210#支架的支架阻力,此次重點分析的支架為25#、50#、100#、125#、175#以及200#,共計6臺支架。通過surfer軟件繪制回采過程中支護阻力與回采距離三維可視圖,情況如圖1所示。從圖中可以看出上部支架25#～50#之間的支架支護阻力最為劇烈,平均煤層傾角為9°,造成這種來壓的原因是上部支架離機巷近,機巷較風巷埋深大,巖層的自重應力也就更大。回采工作面處于來壓及非來壓狀態時,對支護載荷的影響明顯不同,因此支護阻力曲線的峰值一般為周期壓力的位置。各支架支撐的峰值阻力和距離不同,表明每次來壓的步距和強度不同。

圖1 基于surfer軟件的支護阻力與回采距離三維圖

袁店一井3221工作面采用的ZZ10000/21/45型液壓支架,根據圖2～4中各位置的多臺支護阻力曲線特性分析,隨著工作面的回采推進距離自切眼到38.7 m時,25號支護阻力在22.40～40.10 MPa之間,50號支護阻力在16.34～40.80 MPa之間,100號支護阻力在27.20～39.30 MPa之間,125號支架阻力在25.80～41.30 MPa之間,175號支護阻力在25.70～33.40 MPa之間,200號支護阻力在25.80～30.50 MPa之間,通過數據變化看出工作面后方頂板依次從上部、中部、下部的順序進行垮落。自切眼回采至28.9 m左右時支護阻力上升變化較大,可以判定為基本頂的初次來壓,且初次來壓步距為28.9 m,來壓強度為40.8 MPa。基本頂的巖性特征、巖層厚度、基本頂上方覆巖的組成情況等因素決定于周期來壓步距的大小。初次來壓步距通常要比周期大,頂板周期來壓步距一般可由公式(1)計算。

圖2 3221工作面上部支護阻力折線圖

圖3 3221工作面中部支護阻力折線圖

L周=(1/2-1/4)L初

(1)

式中,L周為工作面頂板周期來壓步距;L初為工作面頂板初次來壓步距。通過公式(1)計算,再結合工作面現場實際數據,初步確定3221綜采工作面周期來壓步距在7.23～14.45 m之間。

對共計6臺工作支架進行長時間支架阻力監測,得出了工作面上部平均初次來壓步距為28.9 m,中部、下部初次未見明顯來壓,其不同部位的來壓步距不同,工作面后方采空區存在不同區域的滯后空間出現。從圖2～圖4得出,3221工作面上、中、下部支架支護阻力隨著回采前進距離的增加逐次減小,工作面上部支護阻力變化水平大,強度高,而下部支護阻力變化水平小,強度低,中部支護阻力介于兩者之間。3221工作面初次來壓步距較小,頂板巖性力學參數較小,頂板屬于滯后垮落的特征。

圖4 3221工作面下部支護阻力折線圖

初采期間,工作面從距開切眼開始推至距開切眼6.5 m范圍內頂板始終未見垮落,推進范圍在6.5～7.6 m內20-43、120-167架尾梁掉落大塊矸石,推進范圍在7.6～13 m內19-200架尾梁掉落大塊矸石,推進范圍在13～21.4 m內2-208架尾梁垮落嚴實(見圖5a所示),推進范圍在21.4～24.2 m內第一架架后未落,其他架后都已垮落嚴實,上隅角大頂已落,推進范圍在24.2～27 m內從下隅角往架后看,第一架架后已落,其他架后都已垮落嚴實,上隅角大頂已落(見圖5b所示),推進范圍在27～28.9 m內下隅角掉點矸石,其他架后都已垮落嚴實,推進范圍在28.9～38.7 m內架后已垮實,如表1所示為3221工作面初采期礦壓分析表,從表中可以看出累計回采距離在28.9 m時,為第一次最大工作阻力,達到了41.4 MPa,為峰值工作阻力,判斷為初次來壓。

圖5 3221工作面頂板壓力情況現場圖

4 結論

現場觀測到工作面自切眼回采至28.9 m左右時支護阻力上升變化較大,可以判定為基本頂的初次來壓,且初次來壓步距為28.9 m,來壓強度為40.8 MPa。初步判定基本頂的巖性特征、巖層厚度、基本頂上方覆巖的組成情況等因素決定于周期來壓步距的大小,結合3221工作面現場實際數據,通過理論計算確定3221綜采工作面周期來壓步距在7.23～14.45 m之間。通過現場數據分析得3221工作面上、中、下部支架支護阻力隨著回采前進距離的增加逐次減小,工作面上部支護阻力變化水平大,強度高,而下部支護阻力變化水平小,強度低,中部支護阻力介于兩者之間。