大采深綜放工作面頂板運動規(guī)律研究

1、大采深綜放工作面頂板運動規(guī)律研究邢延團（淄博礦業(yè)集團有限責任公司 許廠煤礦 山東 濟寧 272173）摘要：隨采深增大工作面頂板覆巖的運動規(guī)律與淺部有很大不同，本文從大采深條件下綜放工作面工程實踐出發(fā)，研究了工作面頂板在縱向方向的破壞范圍和推進方向的運動規(guī)律，給出了該條件下頂板的垮落步距及其對放頂煤的影響。實踐表明，在研究頂煤及煤層頂板運動規(guī)律的基礎上，采取合理開采技術，可提高采出率，減少資源浪費。對實現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效，以及指導類似條件下煤炭開采都具有重要意義。關鍵詞：放頂煤，覆巖移動，頂板來壓規(guī)律，垮落步距1 引言淄博礦業(yè)集團許廠煤礦煤層厚度變化較大，有自然發(fā)火傾向，斷層較發(fā)育，煤層含有夾矸且

2、較穩(wěn)定。由于煤層的厚度變化較大，采用傳統(tǒng)的采煤方法必然對礦井的技術、經(jīng)濟帶來許多不利影響，而放頂煤開采技術對煤層厚度變化的適應性較強13，但對缺乏該條件下放頂煤開采時覆巖移動變形破壞動態(tài)變化過程及空間形態(tài)與特征的研究，若套用其他煤礦的經(jīng)驗勢必不能很好的指導生產(chǎn)實踐，因此，在研究頂煤及煤層頂板運動規(guī)律的基礎上，實施放頂煤開采技術，實現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效具有重要意義。因此，本文以許廠煤礦4306工作面開采過程中，覆巖移動變形破壞動態(tài)變化過程及空間形態(tài)與特征的實測資料為基礎，研究了工作面頂板在縱向方向和推進方向上的破壞與運動規(guī)律。取得的成果對于指導今后類似條件下采用放頂煤一次采全高開采技術，以及采取相應的

3、安全生產(chǎn)措施，有著重大現(xiàn)實意義。不僅充分利用現(xiàn)有煤炭資源，提高采出率，還延長了礦井服務年限。2 工作面地質(zhì)及技術條件4306工作面所采煤層為下二迭統(tǒng)山西組3下煤。黑到黑灰色，瀝青、玻璃光澤，條帶狀結構，內(nèi)生裂隙發(fā)育，充填鈣質(zhì)和黃鐵礦薄膜；貝殼狀、菱角狀斷口，局部見少量瘤狀、橢球狀黃鐵礦結核，沉積較穩(wěn)定，結構簡單；煤層局部含有泥巖、粉砂巖夾矸,厚度00.02m，平均0.01m。煤層硬度f=13，煤巖類型為半亮型，以亮煤、暗煤為主，夾少量鏡煤條帶。屬低灰、低硫、特低磷的優(yōu)質(zhì)氣煤。從現(xiàn)場兩巷實際揭露情況看，煤厚變化幅度較大，厚度在0.85.2m之間，平均4.10m，由于受褶曲和斷層的影響，最薄處靠近

4、開切眼區(qū)域的皮帶順槽端，可采指數(shù)為1。該面在傾斜方向上煤層傾角09°，局部可達14°，且向斜軸始終貫穿于整個回采工作面，總體上南高北低，東高西低。直接頂巖性多為粉細砂巖互層；老頂為中細粒砂巖；直接底為泥巖、粉砂巖；老底灰白色中細砂巖。3 頂板沿縱向方向運動規(guī)律3.1 直接頂厚度4306工作面煤層厚度變化較大，如果按統(tǒng)一的放頂煤工藝及參數(shù)來操作，必然使得采出率在某些地段高，在某些地段低，這種情況難免會導致直接頂?shù)暮穸龋疵案撸┊a(chǎn)生相應的變化?？紤]到割煤和放煤的采出率不同，總采出率按85%計，取冒落頂煤碎脹系數(shù)為1.3，巖石碎脹系數(shù)為1.4。按以下公式計算直接頂?shù)暮穸萴z為 （

5、1）式中：h-煤層厚度，m；-因丟煤而引起的充填厚度，m；Kp-煤巖層的碎脹系數(shù)。從以下3個方面來考慮直接頂?shù)暮穸?，然后再求得直接頂厚度的平均值：?）按煤層最大厚度5.20m計算。丟失煤炭的充填高度1=1.014m，此時直接頂可能的最大厚度mz1為10.5m。（2）按煤層平均厚度4.1m計算。丟失煤炭的充填高度2=0.80m，此時直接頂可能的最大厚度mz2為5.75m。（3）按煤層最小厚度0.8m計算。丟失煤炭的充填高度3=0.16m，此時直接頂可能的最大厚度mz3為1.6m。由以上可知，直接頂?shù)淖兓穸葢潜容^大的，其平均值為5.95m。這是可能的最大冒高，即采空區(qū)完全被充滿。根據(jù)許廠煤礦

6、及其它煤礦放頂煤開采的經(jīng)驗，采空區(qū)不可能被充填滿，因此，實際直接頂?shù)暮穸葢∮诖酥?。未充填空間高度按1.0m計，則實際直接頂厚度約為4.95m。3.2 老頂?shù)暮穸雀鶕?jù)相關礦壓理論知，采場支架對老頂采取“給定變形”工作方式46，故二者在相互作用的動態(tài)過程中不存在力學平衡關系，不能用實測的支架阻力反算老頂厚度，在此，只能用實測的老頂運動步距來反演老頂?shù)暮穸?。從以?個方面來考慮老頂?shù)暮穸龋缓笤偾笃淦骄?。?）根據(jù)初次來壓步距，由式2計算可得老頂?shù)暮穸萴E0為2.0m。 （2）式中：C0-老頂初次來壓步距，33.3m（見表1）；E-老頂巖層平均容重，27kN/m3；t-老頂巖層抗拉強度，8MPa

7、。（2）根據(jù)周期來壓步距，由式3計算可得求出第一次周期來壓的老頂厚度mE1為5.24m；由式4計算可得第二次周期來壓mE2為5.66m。 （3） （4）式中：C1老頂?shù)谝淮沃芷趤韷翰骄啵?5.9m（見表1）；C2老頂?shù)诙沃芷趤韷翰骄啵?7m（見表1）。按來壓步距加權平均，可得老頂?shù)暮穸葹?.72m。由以上計算可知，對采場有明顯影響的上覆巖層范圍為8.67m。表1 頂板來壓特征頂板活動階段經(jīng)歷時間來壓步距/m宏觀現(xiàn)象描述初次來壓5.35.2033.3煤壁開始出現(xiàn)片幫，由輸送機機頭向機尾方向逐漸增大，但從整體來看壓力不大第一次周期來壓5.255.2815.9工作面的壓力比平時略有升高，煤壁有片幫

8、第二次周期來壓5.255.2817工作面的壓力比平時略有升高，煤壁有片幫4 頂板沿推進方向運動規(guī)律在4306綜放工作面試采過程中觀測了支架阻力的變化情況、煤壁片幫情況及回采巷道的變形情況。工作面支架阻力與推進步距的變化關系如圖1、2所示。從圖1、2中支架阻力的變化規(guī)律分析出工作面頂板沿推進方向的來壓特征，見表1。后柱（a）前柱（b）圖1 前后柱壓力與推進步距的關系整架阻力/kN圖2 整架阻力與推進步距的關系從以上兩圖可以看出：（1）頂煤初垮特點。工作面回采初期階段，支架后柱平均阻力明顯高于前柱阻力，此時采空區(qū)懸頂不斷增大，工作面推進6m時，前后柱阻力持平，以后前柱阻力大于后柱阻力。說明頂煤初垮

9、完成，初次垮落步距為6m。（2）隨工作面推進，頂煤不斷冒落，采空區(qū)懸頂不斷增加。從工作面推進到10m時起，頂板中不斷傳來壓力炮聲，表明頂板因拉應力超限而產(chǎn)生了斷裂，當工作面推進到12m時，采空區(qū)大面積冒落，形成沖擊波，說明工作面直接頂初次垮落，步距為12m。（3）老頂運動規(guī)律。直接頂垮落后，老頂逐步懸露，隨采空區(qū)面積增加，采場礦壓顯現(xiàn)更加明顯，至工作面推進到30m，支架阻力開始明顯升高，后柱阻力明顯高于前柱，煤壁開始出現(xiàn)片幫，到工作面推進33m，支架阻力明顯降低，老頂垮落基本完成。從現(xiàn)場礦壓觀測情況判定：老頂初次垮落步距為33.3m，來壓影響20m。總之，老頂?shù)膩韷哼^程具有間斷性，再加之工作面

10、為首采面，周圍均為實體煤，所以礦壓顯現(xiàn)必然緩和，對采場造成宏觀影響不明顯7。老頂進入周期運動階段后，礦壓顯現(xiàn)更趨緩和，除煤壁片幫外，端面頂板破碎和支架安全閥開啟的現(xiàn)象均未發(fā)生。老頂?shù)闹芷趤韷簝H對煤壁前方4m以內(nèi)有較明顯的影響，其它各點的總體趨勢幾乎沒有什么變化，表明老頂?shù)某坝绊懛秶^小。結合有關礦壓顯現(xiàn)，可以確定老頂?shù)谝?、第二次周期來壓步距分別為15.9m、17m，平均為16.45m。5 結論（1）經(jīng)過對4306工作面的觀測，得出頂煤的初垮步距為6m，直接頂初垮步距12m，老頂初次來壓步距33.3m，周期來壓步距平均16.5m。（2）老頂?shù)某醮蝸韷航?jīng)歷的時間較長，在工作面中老頂斷裂的步距也不

11、一致，一般中部較小，兩端頭較大。（3）老頂周期來壓時，礦壓顯現(xiàn)比較緩和，直接頂一般隨采隨冒，很少有懸頂現(xiàn)象發(fā)生。（4）由于煤層埋藏較深，在上覆巖層重力的作用下，頂煤的破碎效果很好，不用采取其他輔助措施就可較為順利的放出。參考文獻1 錢鳴高，許家林繆協(xié)興.煤礦綠色開采技術J 中國礦業(yè)大學學報，2003，32（4）：343-3472 王衛(wèi)軍，李學華，賀德安巷道放頂煤頂煤破碎機理研究J 礦山壓力與頂板管理，2000，17（4）：66-673 錢鳴高，石平五礦山壓力與巖層控制M 徐州：中國礦業(yè)大學出版社，20034 富強. 長壁綜放開采松散頂煤落放規(guī)律研究D 中國礦業(yè)大學（北京），博士學位論文，19995 李鴻昌，劉長友 綜采工作面支護質(zhì)量檢測J 煤礦現(xiàn)代化，1993（1）：24-266 靳鐘銘. 放頂煤開采理論與技術M 北京：煤炭工業(yè)出版社，20017 劉長友，錢鳴高，曹勝根，等. 采場支架阻力與頂板下沉量關系的研究J 礦山壓力與頂板管理，1997，14（2）：20-23Study on Roof Movement Regulation of the Fully