不同基岩厚度综放上限开采矿压显现规律

李永明，乔元栋，徐青云

（山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037003）

不同基岩厚度综放上限开采矿压显现规律

李永明，乔元栋，徐青云

（山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037003）

文章研究了不同基岩厚度上限开采综放采场矿压显现规律，确定了合理的综放工作面开采上限，将基岩厚度降低到最小33m，通过限厚开采，确保了水体下综放开采条件煤炭资源的安全回收，从而最大限度地提高了资源回收率，减少了煤炭资源损失，对煤炭资源的安全高效开采具有重要的理论价值和现实意义。

上限开采；综放开采；矿压显现；基岩厚度；动载系数

近年来,随着煤炭资源的不断开采,可采储量相继减少,边角煤的开采已经成为矿井煤炭开采的部分之一[1～3]。目前,对厚含水砂层下综放顶水开采及合理回采上限已有研究,但上限开采条件下的覆岩稳定性以及矿山压力问题的研究相对较少[4～6]。兴隆庄煤矿的防水煤柱垂高为80m,压煤量为8 576.4万t,占全矿井地质储量的10.87%。这些防水煤柱储量均是按照分层开采条件留设的,当采用综合机械化放顶煤条件开采时,防水煤柱的尺寸是否可以降低,进而提高工作面的回采上限,对于煤炭资源的安全回收和高效开采具有重要的理论价值和现实意义。

1 工作面生产和地质概况

4300工作面位于兴隆庄煤矿四采区最浅部,沿倾斜推进长度约520m,宽152m,开采的煤层为二迭系山西组3＃煤,煤层稳定。煤层厚度约为6.05～9.53 m,平均8.33 m,煤层倾角约为6°,埋深220～255 m。煤岩类型属半光亮型煤,为气煤,煤层有自然发火倾向,发火期3～6个月,煤尘有爆炸危险性。4300工作面开采范围内的地层总体发育为倾向SE的单斜构造,古河流冲刷带位于该面。

4300工作面切眼斜长121.3m,共布置支架80组,型号ZFS6200/18/35正四连杆低位放顶煤液压支架。对4300工作面开采有影响的含水层为3＃煤顶板砂岩含水层和第四系底部含水层,简称“三含”,是4300工作面顶水安全开采的主要防范对象。4300工作面开采范围内基岩柱垂高约介于33～75m之间。为研究基岩厚度对4300工作面矿山压力显现的影响,根据基岩厚度不同,将工作面沿推进方向划分为三个块段,其中,第Ⅲ块段的基岩厚度最小,仅为33～40m,见图1。

2工作面推进方向矿压显现规律

在4300工作面上、中、下部共设3个测站,测站位置在20#，40#，60#架处,分别安装圆图压力记录仪共6台,连续观测支架的初撑力、工作阻力及时间加权阻力,分析得出不同基岩厚度第I，Ⅱ，Ⅲ块段工作面的矿压显现规律,其中,第I块段工作面上部矿压显现规律，见表1。

图1 4300工作面上限开采不同块段基岩厚度划分

表1 第I块段工作面上部的矿压显现规律

2.1 工作面来压步距和来压强度之间的关系

4300工作面不同基岩厚度不同位置周期来压期间支护阻力对比见图2。从图中可知,第Ⅰ块段基岩厚度最大,初次来压步距最大,达到51.9m,来压强度在第Ⅰ块段内也最大。随着工作面推进,周期来压强度逐渐降低,第六次和第七次周期来压强度仅为3 351.70 KN和3 407.10 KN,是平均值的70.2%和71.4%,但其周期来压步距较大为30.5 m和36.5m,均超过第2～5次周期来压步距。在第Ⅱ块段由于基岩厚度降低,采用限厚开采。开采期间共发生两次来压,来压强度分别为4 853.04 KN和3 324.00 KN。

图2 不同基岩厚度周期来压支护阻力对比

同时,第Ⅰ块段来压均值和第Ⅱ块段来压均值和最小值均基本相等。第Ⅱ块段来压步距逐渐加大,其中,第九次来压步距达到43.2 m。由于第Ⅲ块段基岩较薄,矿山压力显现剧烈,周期来压强度较大,第Ⅲ块段两次来压强度值均超过了第Ⅰ块段初次来压强度值,分别为初次来压强度的1.07倍和1.13倍。因此,采放厚度和基岩厚度对来压强度有较大的影响。

2.2 工作面不同基岩厚度周期来压动载系数对比

工作面上部不同块段来压期间动载系数，见图3。从图中可知,第Ⅰ块段内,周期来压动载系数变化基本呈波折型,第1～3次逐渐减小,3～5次逐渐增大,随后减小后又增大。其中,第6次来压动载系数最小。第Ⅰ块段和第Ⅱ块段来压期间动载系数均值相差不大,第Ⅲ块段动载系数较大,第11次来压动载系数为2.14甚至超过了初次来压。在第Ⅲ块段非来压期间压力不大,动载系数较大的原因是来压时压力较大。

2.3工作面不同基岩厚度周期来压影响范围对比

图3 不同基岩厚度周期来压动载系数对比

工作面上部周期来压的影响范围进行对比，见图4。从图中可知,第Ⅱ块段周期来压的平均影响范围最大为12.13 m,第Ⅲ块段次之为7.5 m,第Ⅰ块段来压期间平均影响范围最小为5.5m。中部和下部周期来压影响范围均有随基岩厚度减小而增加的趋势。工作面中部第Ⅲ块段周期来压的平均影响范围最大为13.5m,影响范围最大值达17 m。第Ⅱ块段周期来压的平均影响范围为10.23 m,第Ⅰ块段来压期间平均影响范围最小为5.28m。下部周期来压影响范围平均值分别为6.42，8.97和10.23m。因此,周期来压对基岩较薄的块段影响更大。

3 工作面倾斜方向矿山压力显现规律

3.1 工作面不同部位来压强度对比

图4 不同基岩厚度周期来压影响范围对比

第Ⅰ块段内上部、中部和下部初次来压步距基本相同,均为50m左右。同时,第Ⅰ块段内工作面上部和下部来压具有同时性,来压步距非常接近,中部周期来压步距小于上部和下部。第2次周期来压时,距切眼的距离与第Ⅰ块段内工作面上部和下部相差10 m左右。第7次周期来压时,距切眼的距离比上部和下部低39m左右,但来压次数较多,比上部和中部来压次数多两次。因此,第Ⅰ块段内不同位置来压特点为,上部和下部来压基本对称,而中部来压步距相对较小,来压次数较多。

第Ⅱ个块段工作面下部共发生3次来压,而上部和中部共发生两次来压。来压步距上部较大,中部和下部基本相等。来压强度呈现传递性,开始上部最大,中部次之,下部最小,下一次来压强度又呈现出下部最大,中部次之,上部来压来压强度最小的趋势。第Ⅲ块段来压步距基本相等,上部和中部比下部略大。同时,来压强度对比较明显,同一次来压时,上部来压强度最大,下部来压强度次之,中部来压强度最小。

3.2 工作面倾斜方向不同部位动载系数对比

第Ⅰ块段内上部和中部来压动载系数呈波折性变化,范围在1～2之间,下部来压动载系数呈单调递增趋势,并且来压动载系数下部基本大于中部。第Ⅰ块段内上部、中部和下部平均来压动载系数均为1.50左右。第Ⅱ块段内来压动载系数中部和下部相差不大,中部来压动载系数略大,平均来压动载系数中部为1.82和1.71,均高于上部1.40。第Ⅲ块段上部和中部动载系数曾递增趋势,上部来压动载系数变化梯度较大,最后一次来压动载系数达到2.14,远高于中部和下部。下部来压动载系数最小,平均仅为1.18。中部平均来压动载系数介于上部和下部之间平均为1.7。

3.3 工作面倾斜方向支架工作阻力对比

受煤层倾角、开采边界条件、回采工艺、煤岩赋存条件及支护质量等因素的影响,工作面倾斜方向的顶板压力有所不同。实测分析得出工作面在非来压期间和来压期间倾斜方向压力分布见图5和图6。

图5 非来压期间工作面倾斜方向支架阻力

图6 来压期间工作面倾斜方向支架阻力分布

由图可知,在非来压期间,由于顶板沿工作面方向成简支梁形态,中部下沉量较大,顶煤和支架承受压力比工作面上下端头都高;来压后,工作面中部顶煤被压碎,塑性破坏严重,支撑能力下降,致使上覆岩层应力不能传递到支架上,所以此时工作面中部支架支撑力小,而两端头支架支撑力大。在这种工作面条件下,非来压期间应该加强工作面中部的支护,而在来压期间应该加强工作面两端头支护,提高支护质量,增强对顶板的控制效果。

4 结论

1)4300工作面基岩厚度较大时,工作面初次来压步距较大,当基岩厚度相同时,来压强度也较大。随着基岩厚度的降低,矿山压力显现剧烈程度和周期来压强度呈增大趋势,表明采放厚度和基岩厚度对来压强度有较大的影响。

2)工作面非来压期间,顶板沿工作面倾斜方向成简支梁形态,中部下沉量较大,支架承受压力大于上部和下部;工作面来压期间,工作面中部顶煤被压碎,塑性破坏严重,致使上覆岩层应力不能传递到支架上,工作面中部支架工作阻力小,而上部和下部支架工作阻力大。因此,非来压期间应加强工作面中部的支护,来压期间应该加强工作面两端头支护,增强对顶板的控制效果。

3)4300综放工作面采用ZFS6200/18/35型支撑掩护式支架,适应工作面煤层条件下的顶板活动规律,具有良好的支架-围岩关系。同时,现场由于回采工艺安排合理,及时支护伸缩前梁,有效防止了端面顶煤的冒落,确保了工作面生产的顺利进行。

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〔责任编辑 石白云〕〕

Research on Strata Behaviors Law of Ascending M ining in Fully M echanized Caving Face for Different Bedrock Thickness

LIYong－ming，QIAO Yuan－dong，XU Qing－yun

（School of Coal Engineering，ShanxiDatong University，Datong Shanxi，037003）

Strata behaviors law was studied in ascendingmining in fully mechanized caving face on the different thickness and reasonablemining upper limitwas determined in this paper.The bedrock thickness decreases to 33m and ensure safety coalmining for fullymechanized caving under conditions ofwater body bymining thick limit.Thus，the resources recovery rate is improved in the maximum degree and the loss of coal resources is reduced.It has important theoretical value and practical significance for safe and efficientmining of coal resources.

uppermining；fullymechanized caving face；strata behaviors；the bedrock thickness；dynamic load coefficient

P208

A

2012－12－08

李永明（1979－），男，山西朔州人，在读博士，讲师，研究方向：采矿工程与教学。

1674－0874（2013）03－0066－04