两软薄煤层综采面矿压显现规律研究

高 杰 屠世浩 李 明,2 孙璐璐 马小涛

(1.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221116;2.山东省岱庄生建煤矿湖西矿井生技办,山东省济宁市,272300)

随着我国煤矿开采强度的加大,厚及中厚煤层资源逐渐减少,薄及较薄煤层的开采逐渐受到煤炭企业的重视。本文针对淮北矿区祁南煤矿7122工作面地质生产条件,根据液压支架工作阻力实时监测结果,分析薄煤层综采面矿压显现规律,为淮北矿区或类似矿井薄煤层综采提供依据和实践经验。

1 薄煤层地质生产条件

7122综采工作面回采71煤层,工作面地面标高为+22.6 m,井下标高为-371.3～-400.6 m,工作面走向长545 m,倾斜长127 m,所在区域为单斜构造,工作面及四周共有3条断层,工作面内小构造较为发育,局部地段煤层起伏较大,顶板较破碎,压力较大。煤层倾向75～105°,倾角6～12°,平均为8°,煤层厚度为0.9～1.8 m,平均1.2 m,以薄煤层为主,可采指数100%;煤的坚固性系数f=0.2～0.3,煤质较松软;直接顶为厚0～1.5 m的泥岩,基本顶为厚13～14.5 m的细-中粒砂岩,直接底为厚2.7～4.5 m的泥岩,强度较低,遇水易膨胀,煤层及底板强度较低,表现为两软特征。煤层顶底板柱状图见图1。

图1 7122工作面地层综合柱状图

2 薄煤层综采面采场矿压观测分析

2.1 采场矿压规律观测方案

通过在7122综采面上、中、下部3个观测区域10架液压支架上安装KBJ60-Ⅲ-1型矿压实时监测仪表,观测支架载荷随工作面推进的变化规律,据此分析顶板围岩活动规律、支架运行特性及支架合理工作阻力等。观测点布置如图2所示。

图2 工作面观测点布置示意图

2.2 支护阻力随工作面推进距离变化规律

7122综采工作面回采15 m时,出现工作面直接顶初次垮落;随着工作面继续推进,在回采30 m左右时,出现老顶初次垮落,工作面大面积来压,表现为工作面液压支架支柱安全阀开启、煤壁片帮等现象。

以工作面中部测区35#、45#支架观测结果为例,顶板来压及支护阻力变化统计结果见表1(其中Pm为末阻力、Pt为时间加权阻力,Km、Kt为对应动载系数),其支护阻力随工作面推进变化规律如图3所示。

表1 中部老顶来压规律数据统计

图3 中部支架支护阻力随工作面推进距离变化规律

从表1可看出,工作面中部出现5次周期来压,来压步距平均为18.8 m,来压动载显现强度系数1.28,周期来压期间支架末阻力平均为3509.86 kN,时间加权阻力平均为3206.88 kN;非来压期间支架末阻力平均为2744.05 kN,时间加权阻力为2508.38 kN。

2.3 工作面倾斜方向支护阻力分布规律

周期来压期间工作面倾斜方向末阻力分布及时间加权阻力分布如图4所示。倾斜方向上末阻力与时间加权阻力分布呈现的趋势基本一致,中部偏大,上、下部偏小,主要是由于工作面老顶垮落时呈现两端应力向中部偏移,中上部倾角小较平缓,下部倾角有所增大,在12°左右,由于采高较小,其来压强度不显著。

综上,7122综采面矿压显现有以下特征。

(1)综采面来压动载系数较小,工作面老顶周期性垮落步调基本一致,呈现整体来压特征。

(2)工作面3个测区周期来压期间支架平均末阻力分别为3445.16 kN、3509.86 kN、2788.85 kN,非来压期间支架平均末阻力分别为3074.25 kN、3206.88 kN、2575.11 kN,工作面周期来压期间整体支架工作阻力较小,动载系数基本相同;支架载荷富裕系数适宜,能够保持高效稳定运行。

图4 周期来压期间工作面倾斜方向阻力分布

3 薄煤层回采巷道围岩稳定性分析

为确定工作面超前支承压力影响范围,比较巷道在锚网索、架棚(局部为全封闭棚)及U型钢等支护方式下的支护效果,在机巷和风巷分别超前70 m和120 m处布置测站,观测巷道顶底板、两帮位移变化情况及锚网索、U型钢支护质量,120 m处测站的巷道表面移近量及移近速度分别如图5和图6所示。

由图5和图6可见,巷道顶底板和两帮相对位移变化趋势相同,顶底板相对移进量及变化速度较两帮大。由前述工作面倾斜方向顶板压力分布规律可知,主要是机巷位于工作面上部,机巷顶板支承压力较风巷大。巷道围岩整体变形较为显著,顶底板及两帮累计移进量达862 mm、552 mm,位移速度达130 mm/d、112 mm/d。在顶底板移近量中以底鼓为主,这与底板岩性较弱有关。巷道变化情况见图7。根据受采动影响程度不同,巷道表面移近速度变化特征,沿走向超前采动影响可划分为3个区段。

(1)采动影响轻微区,距工作面60 m以外区域。超前支承压力较小,围岩受其影响显现不显著,表现为巷道位移速度小,围岩变形不显著。

(2)采动影响明显区,距工作面60～25 m区域。随工作面继续推进,超前支承压力呈增大趋势,受其作用巷道围岩变形速度变大,表面移进量较为显著。

(3)采动影响剧烈区。距工作面25 m以内区域。超前支承压力较大,受集中压力作用,围岩塑性区发育范围急剧增大,表现为巷道围岩变形速度明显增快,巷道表面变形剧烈。

图7 现场观测巷道变化情况

4 结论

(1)薄煤层综采面来压动载系数较小,老顶周期性垮落步调基本一致,呈现整体来压特征。

(2)薄煤层综采面倾斜方向上顶板载荷呈现工作面中部大,上、下部偏小的特征,主要是由于工作面两侧为实体煤,老顶垮落时呈现两端应力向中部偏移,中上部倾角小较平缓,下部倾角有所增大,工作面在来压期间支架载荷富裕系数适宜,支架能够保持高效稳定运行。

(3)顶底板移近量及移近速度较两帮稍大,顶底板移近量中以底鼓为主,机巷围岩变形较风巷显著,采动影响程度以沿工作面走向超前煤壁60 m、25 m为界可划分为3个区段:采动影响轻微区,采动影响明显区及采动影响剧烈区,两巷应从煤壁前方25 m左右开始加强支护,以确保巷道围岩稳定性满足断面要求。

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