劉寶珠 馬亞杰 章之燕

（1.開(kāi)灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司唐山礦業(yè)分公司，河北省唐山市，063000；2.河北聯(lián)合大學(xué)，河北省唐山市，063000）

特厚煤層放頂煤開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

劉寶珠1馬亞杰2章之燕1

（1.開(kāi)灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司唐山礦業(yè)分公司，河北省唐山市，063000；2.河北聯(lián)合大學(xué)，河北省唐山市，063000）

采用現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬對(duì)唐山礦特厚煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了分析研究。礦壓觀測(cè)表明，工作面來(lái)壓周期性較明顯，呈現(xiàn)高頻率、低強(qiáng)度的特征，平均周期來(lái)壓步距為8.1m。整個(gè)工作面全長(zhǎng)范圍內(nèi)，老頂來(lái)壓具有明顯的不一致性，即中部來(lái)壓強(qiáng)度大，上部和下部來(lái)壓強(qiáng)度小，上部高于下部。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)結(jié)果基本一致。

特厚煤層 綜采 放頂煤開(kāi)采 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 數(shù)值模擬

綜采放頂煤技術(shù)作為一種新的開(kāi)采方法已在各種地質(zhì)條件如特厚煤層、較薄厚煤層以及復(fù)雜厚煤層中得到應(yīng)用，并且在我國(guó)各個(gè)礦區(qū)都取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但同時(shí)也面臨著諸多技術(shù)難題需要深入研究。如特厚煤層放頂煤開(kāi)采的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律還有待研究。為合理選擇綜采放頂煤開(kāi)采的工藝參數(shù)，本文對(duì)唐山礦特厚煤層放頂煤開(kāi)采礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 工作面概況

唐山礦T2192工作面開(kāi)采9＃煤層，工作面位于唐山礦鐵二區(qū)東南部，南與本區(qū)域T2191采空區(qū)相鄰，北與T2193工作面相鄰，西至本煤層未采區(qū)。煤層最大傾角18°，最小傾角5°，平均11°；煤層厚度最大11.46m，最小8.5m，平均10m，中間夾有3層矸石，沉積穩(wěn)定；該工作面走向長(zhǎng)度1010m，傾斜長(zhǎng)度150m，埋藏深度－565～－595m。T2192工作面9＃煤層頂?shù)装逯鶢钜?jiàn)圖1。

圖1 T2192工作面9＃煤層頂?shù)装逯鶢顖D

2 礦壓測(cè)點(diǎn)布置及結(jié)果分析

2.1 礦壓觀測(cè)點(diǎn)布置

觀測(cè)支架載荷變化是研究圍巖應(yīng)力分布的方法之一。在工作面內(nèi)側(cè)將工作面按上、中、下3部分各設(shè)置1組測(cè)站，1＃測(cè)站距輸送機(jī)機(jī)頭15m，2＃測(cè)站距輸送機(jī)機(jī)頭75m，3＃測(cè)站距輸送機(jī)機(jī)尾15 m。每1組測(cè)站選2架支架，每架支架安裝2塊圓圖壓力自記儀（前、后立柱各1塊，前左后右），觀測(cè)工作面內(nèi)支承壓力分布情況。

同時(shí)，在工作面回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)布置鉆孔，設(shè)3組測(cè)站，分別為4＃測(cè)站、5＃測(cè)站和6＃測(cè)站，安裝鉆孔應(yīng)力計(jì)，通過(guò)測(cè)量鉆孔應(yīng)力計(jì)讀數(shù)，了解工作面超前支承壓力分布與超前工作面距離的關(guān)系。支架載荷和工作面超前支承壓力監(jiān)測(cè)布置示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 支架載荷和超前支承壓力監(jiān)測(cè)布置示意圖

2.2 工作面礦山壓力現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果

2.2.1 工作面支架平均工作阻力分布規(guī)律

由工作面內(nèi)測(cè)站觀測(cè)得到工作面支架平均工作阻力分布情況，見(jiàn)表1。由表1可以看出，工作面各支架初撐力分布比較穩(wěn)定。其中，液壓支架前柱占初撐力55%，后柱占45%。沿工作面傾斜方向，支架的平均工作阻力呈現(xiàn)兩端小、中間高的分布特征；沿推進(jìn)方向，工作面支架前柱載荷約占載荷總量的54%，后柱占46%，前、后柱平均工作阻力分布比較合理，表明工作面頂板、端面管理較好，端面冒落、漏頂?shù)痊F(xiàn)象較少。

表1 T2192工作面支架載荷分布表

2.2.2 工作面超前支承壓力分布規(guī)律

巷道圍巖變形反映了圍巖受工作面采動(dòng)影響的程度。由于超前支承壓力的作用，迫使巷道圍巖發(fā)生變形、位移，通過(guò)鉆孔測(cè)量，T2192支承壓力峰值距煤壁距離為15m，應(yīng)力微增區(qū)分布范圍為100～150m。

2.2.3 工作面來(lái)壓規(guī)律

根據(jù)工作面各測(cè)站觀測(cè)和分析可以得出工作面來(lái)壓規(guī)律。

（1）在相鄰區(qū)段存在采空區(qū)的T2192工作面，初次來(lái)壓步距為36m，動(dòng)載系數(shù)1.3～2.6，支架工作阻力利用率在67%以上，由此可見(jiàn)，應(yīng)力釋放后的采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)被削弱。

（2）工作面來(lái)壓周期性較明顯，呈現(xiàn)為高頻率、低強(qiáng)度的特征，平均步距8.1m。

（3）放頂煤開(kāi)采超前支承壓力分布與分層開(kāi)采基本相似，但采動(dòng)影響范圍增大，峰值超前工作面的距離更遠(yuǎn)，而且應(yīng)力降低區(qū)增大。由于采用放頂煤開(kāi)采，增加了一次開(kāi)采的總厚度，導(dǎo)致上覆巖層平衡結(jié)構(gòu)形成的層位更高，形成的結(jié)構(gòu)更加遠(yuǎn)離工作面。因此，超前支承壓力的范圍更大，峰值超前工作面的距離更遠(yuǎn)，工作面所處的應(yīng)力較低區(qū)范圍更大。

3 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析

3.1 模型的建立

建立模型時(shí)，上部結(jié)構(gòu)采用大變形梁的形式，其位態(tài)由UDEC模擬結(jié)果確定，大變形梁的位移采用斜直線型；采空區(qū)的支承體采用支撐形式來(lái)實(shí)現(xiàn)；模型的兩側(cè)固定水平變形，同時(shí)固定下部邊界，在上部邊界施加應(yīng)力作用。為了近似模擬，采用了分段式施加應(yīng)力，將未模擬巖層以變化應(yīng)力的方式加在上部邊界上。在上部邊界一端從1到10單元施加6MPa的應(yīng)力，10到35單元施加應(yīng)力從6MPa逐漸變化為15MPa，35到60單元施加應(yīng)力從15MPa逐漸變?yōu)?.1MPa，60到70單元施加應(yīng)力由0.1MPa逐漸變?yōu)?。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

（1）垂直應(yīng)力在工作面前方14m左右達(dá)到峰值，而在支架上方，由于支架的卸壓，而使其上方至平衡結(jié)構(gòu)之間形成低應(yīng)力區(qū)。

（2）煤體中的水平應(yīng)力在工作面前方18m處達(dá)到峰值，而在距工作面13m處，頂煤的水平應(yīng)力達(dá)到峰值，這兩個(gè)峰值連成了一個(gè)區(qū)，這種水平應(yīng)力的變化與頂煤和頂板的作用形式有關(guān)，也與上覆巖層的傳壓及頂煤的變形有關(guān)。

（3）采空區(qū)上方巖層的自重應(yīng)力通過(guò)平衡結(jié)構(gòu)，特別是有序平衡結(jié)構(gòu)指向工作面前方煤體和巖體。

（4）支承壓力峰值超前工作面14m，與實(shí)測(cè)結(jié)果（15m）吻合，證明了由于開(kāi)采厚度增加，支承壓力范圍增大，工作面處于低壓區(qū)內(nèi)，因此，支架載荷沒(méi)有顯著變化。

4 T2192工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的特征

通過(guò)對(duì)開(kāi)灤唐山礦復(fù)雜條件厚煤層典型工作面進(jìn)行礦壓觀測(cè)、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析等，綜采放頂煤開(kāi)采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律具有如下特征：

（1）工作面頂板來(lái)壓顯現(xiàn)較明顯，初次來(lái)壓步距為36m，基本頂周期來(lái)壓步距平均8.1m。由于工作面采放厚度大，采放比在局部為1∶3以上時(shí)，采空區(qū)頂板活動(dòng)層位高，來(lái)壓強(qiáng)度較大，支架安全閥開(kāi)啟次數(shù)頻繁，達(dá)到額定工作阻力的85%～92%。

（2）頂板未出現(xiàn)沖擊來(lái)壓現(xiàn)象，頂板超前煤壁3～5m產(chǎn)生斷裂，以緩慢的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主。當(dāng)工作面具有合理的推進(jìn)速度（≥4.0m/d）時(shí)，頂板運(yùn)動(dòng)向采空區(qū)方向緩慢下沉，循環(huán)內(nèi)支架活柱下縮量為20～60mm，后柱阻力明顯高于前柱，來(lái)壓步距為16～18m；當(dāng)工作面推進(jìn)不正常或停產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，頂板一般向煤壁方向回轉(zhuǎn)下沉，造成機(jī)道頂板臺(tái)階下沉，支架阻力急增，安全閥開(kāi)啟，小時(shí)內(nèi)支架活柱下縮量最大達(dá)320mm，來(lái)壓步距9～12m，顯現(xiàn)為工作面整體來(lái)壓。為此，保證工作面的合理推進(jìn)速度對(duì)頂板管理極為有利，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際觀測(cè)，工作面的推進(jìn)速度不低于4.0m/d。

（3）工作面來(lái)壓時(shí)基本是中部先來(lái)壓，然后向兩側(cè)伸展；當(dāng)機(jī)頭機(jī)尾不平行推進(jìn)，機(jī)頭超前時(shí)，靠近機(jī)頭的一側(cè)中部先來(lái)壓，而后向兩側(cè)伸展。一般情況下工作面中下部壓力較大，在工作面上下機(jī)頭區(qū)域來(lái)壓不明顯，此壓力分布與工作面布置有關(guān)系。

（4）當(dāng)工作面來(lái)壓在中下部時(shí)煤壁片幫較大，片幫深度最大達(dá)到1.0m以上，造成支架端面距增加，控頂范圍增大，機(jī)道上方頂煤形成破碎冒落區(qū)，使支架接頂性能差，造成工作面頂板出現(xiàn)下沉。

5 頂板壓力控制方法

（1）合理地設(shè)計(jì)工作面傾斜長(zhǎng)度和相鄰巷道煤柱尺寸參數(shù)，巷道布置盡量避開(kāi)壓力高峰區(qū)，有利于頂板控制，同時(shí)也可改變工作面兩端頭的受力狀況。因此工作面傾斜長(zhǎng)度一般設(shè)計(jì)在150～180m，兩巷相鄰煤柱尺寸一般不超過(guò)5～8m，巷道設(shè)計(jì)在集中壓力降低區(qū)。

（2）加快工作面推進(jìn)速度，縮短煤壁暴露時(shí)間，可有效地防止煤壁片幫抽冒，實(shí)現(xiàn)改善頂板和支架受力狀況，提高煤壁的穩(wěn)定性。

（3）提高工作面支架的護(hù)幫能力，采用支架伸縮前探梁和護(hù)幫板支護(hù)頂板和煤壁，防止因煤壁片幫導(dǎo)致頂煤抽冒的發(fā)生。在有條件的情況下液壓支架設(shè)計(jì)反轉(zhuǎn)護(hù)幫板，對(duì)煤壁片幫區(qū)域頂板起到及時(shí)支護(hù)作用。

（4）加強(qiáng)支架的液壓系統(tǒng)管理，縮短移架時(shí)間，采用帶壓移架，在破碎頂板情況下鋪設(shè)金屬網(wǎng)，減少頂板的下沉和移架時(shí)對(duì)頂板的破壞，保證支架具有足夠的初撐力。

（5）分析掌握地質(zhì)條件和煤層厚度變化，合理控制采高和采煤機(jī)截深。在變化區(qū)域加強(qiáng)采煤機(jī)司機(jī)和支架操作人員的配合水平，實(shí)現(xiàn)及時(shí)支護(hù)頂板，提高工作面的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

（1）工作面液壓支架平均初撐力1800kN/架，為額定初撐力的35%；平均工作阻力為2420kN/架，為額定工作阻力的43%，支架的工作阻力尚未得到充分的發(fā)揮。

（2）工作面支架初撐力分布均勻；沿工作面傾斜方向，支架的工作阻力呈現(xiàn)兩端小、中間高的分布特征；沿推進(jìn)方向，工作面支架 前柱載荷約占載荷總量的54%，后柱占46%，前后柱工作主力分布比較合理。

（3）初次來(lái)壓步距20～28m，動(dòng)載系數(shù)1.3～2.6；周期來(lái)壓呈現(xiàn)為高頻率、低強(qiáng)度的特征，平均來(lái)壓步距8.1m。

（4）由于采用了放頂煤開(kāi)采，增加了開(kāi)采的厚度，使得采動(dòng)影響范圍增大，導(dǎo)致了上覆巖層平衡結(jié)構(gòu)形成的層位更高。因此，超前支承壓力的范圍更大，峰值超前工作面的距離更遠(yuǎn)，工作面所處的應(yīng)力較低區(qū)范圍更大。

（5）放頂煤開(kāi)采的采出率與架型的選擇與放頂煤礦壓顯現(xiàn)規(guī)律有關(guān)。而綜放開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和頂煤巖運(yùn)移破壞特征是選擇放煤工藝、支架架型的理論基礎(chǔ)。因此，必須深入研究特厚煤層綜放開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，才能有效地掌握頂煤運(yùn)移破壞特征，提高放頂煤的回收率。

［1］ 劉俊峰.塔山礦特厚煤層綜放開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律初步研究［J］.煤礦開(kāi)采，2008（5）

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［5］ 張里程.工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的分析［J］.水力采煤與管道運(yùn)輸，2008（4）

［6］ 姚喜淵.深部開(kāi)采綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律［J］.煤炭技術(shù)，2011（5）

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Research on strata behavior law of super－thick top coal caving mining in Tangshan Coal Mine

Liu Baozhu1，Ma Yajie2，Zhang Zhiyan1
（1.Tangshan Mining Branch Co.，Kailuan Group Co.，Ltd.，Tangshan，Hebei 063000，China；2.Hebei United University，Tangshan，Hebei 063000，China）

With the methods of in－situ strata－control observation and computer numerical simulation，the paper has researched the strata behavior law in the super－thick top coal caving face in Tangshan Coal Mine in Kailuan.The result shows that the periodic weighting in working face is apparent，with the characteristics of high frequency and low intensity.The average periodic weighting interval is 8.1m.The roof weighting is apparently different in the whole working face：it is larger in the middle than in the upper and lower parts，and is larger in the upper than in the lower part.The results of computer numerical simulation and in－situ strata－control observation are basically the same.

super－thick coal seam，fully mechanized coal mining，shblevel caving，strata tension behavior law，numerical simulation

TD823.2

A

劉寶珠（1969－），男，河北唐山人，工程碩士學(xué)位，高級(jí)工程師，現(xiàn)任開(kāi)灤集團(tuán)公司唐山礦業(yè)分公司經(jīng)理。

（責(zé)任編輯 張毅玲）