孤岛综放面覆岩空间结构运动与矿压显现特征探讨

陈本华 张士斌 郑有雷 齐方跃 桂 兵

(兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿,山东省济宁市,272069)

1 工作面地质概况与生产技术条件

1.1 工作面地质概况

53下05(北)是济宁三号煤矿五采区的孤岛综放工作面,开采煤层为山西组3下煤层,平均采深653.6 m,工作面压力大,巷道围岩变形严重。53下05(北)西临53下06(北)工作面(已回采),东临53下04(北)、53下03(北)工作面(均已回采),如图1所示。工作面推进长度1344 m,净面长220.5 m,煤厚平均2.99 m,为较稳定的中厚煤层。老顶为中细砂岩,平均厚度19.46 m,f=8～10。直接底为粉砂岩,平均厚度3.46 m。f=4～6。老底为细砂岩,f=6～8。工作面地质条件较复杂,区内断层较多,带式输送机巷局部断层密度较大。

1.2 工作面生产技术条件

工作面上、下两巷均为矩形断面,净宽×净高=4.5 m×3.0 m。巷道采用锚网索支护,锚杆间排距均为800 mm×800 mm,锚索间排距为1500 mm×2400 mm。

图1 53下05(北)孤岛综放工作面布置示意图

工作面布置液压支架153架,中间支架采用ZFS7200/18/35型支架124架,采用ZFS6200/18/35型支架23架,端头支架6架,其中机头布置排头支架3架,机尾布置3架。

采煤方法为走向长臂综采放顶煤一次采全高采煤法,全部垮落法管理顶板。

2 覆岩结构运动形式与工作面矿压显现

2.1 采场覆岩运动对工作面压力影响

53下05(北)工作面于2009年7月12日开始生产,根据矿压观测,工作面老顶初次来压期间平均工作阻力4577 kN,动载系数1.14,来压步距57 m。老顶周期来压步距平均23 m,煤爆较为频繁,煤壁片帮普遍,来压期间平均工作阻力5338 kN,周期来压强度大,矿压显现明显。超前支承压力明显影响范围为30 m。开采期间,覆岩空间结构运动造成的矿压显现实测数据见表1。

表1 覆岩空间结构运动造成的矿压显现实测数据

从表1可以看出,工作面中期见方(二次见方)和后期见方阶段,覆岩空间结构运动对工作面压力显现影响最为剧烈,超前支承压力明显,影响范围最大。初次见方阶段覆岩空间结构运动对工作面压力显现影响程度相对偏弱。

由于53下05(北)工作面受相邻采空区覆岩空间结构的影响已经较严重,当工作面回采后,就形成了三面采空的覆岩空间结构形式,即53下04(北)、53下05(北)、53下06(北)3个工作面采空区老顶上方的岩层将会逐渐连成一片,形成一个大的“C”型空间结构形式,如图2所示。受采动影响,工作面及两侧覆岩再次大面积产生破断现象,如图2(a)所示。大的覆岩空间运动带来的压力对工作面两侧巷道将产生严重破坏,影响范围大,如图2(b)所示。“C”型覆岩空间结构大面积运动是造成孤岛综放面超前支承压力加大,影响工作面矿压显现程度的主要原因。此型覆岩空间结构运动对工作面巷道造成的破坏程度要远远大于其它覆岩空间结构运动形式。

图2 53下05(北)综放工作面覆岩空间结构示意图

2.2 覆岩运动对巷道围岩产生的破坏

2.2.1 带式输送机巷变形情况

(1)带式输送机巷变形。回采初期见方阶段:当工作面推进到226 m时,超前支护30 m距离内,巷道两帮围岩变形明显,但并未影响行人道和超前支架的正常工作,支架工作阻力变化不大。两帮最大变形量86 mm,变形速度14.33 mm/d,顶底板最大移近量114 mm,变形速度19 mm/d。回采中期见方阶段:当推进到420 m位置时,超前50 m围岩变形剧烈,巷道变形量较大,给工作面的生产带来安全隐患。当推进到443 m时,工作面矿压显现进一步加剧,工作面超前支架被挤压,带式输送机巷已无行人通道,工作面支架平均阻力达到5710 kN。另外,距离煤壁14 m范围内,巷道围岩变形均较大,2 d时间内顶板下沉总量123 mm,沿空帮位移总量187 mm。距离煤壁26 m范围内,4 d时间内顶板下沉总量225 mm,沿空帮位移总量378 mm,回采帮位移总量222 mm,巷道两帮移近总量达600 mm。底鼓表现为在距煤壁3～19 m处相当严重。自距离煤壁50 m处开始逐步推至距煤壁25 m,底鼓变形量相对处于巷道变形的主导地位,底鼓总量346 mm。

2.2.2 辅助运输巷变形情况

回采初期见方阶段:辅助运输巷两帮最大变形量37 mm,变形速度6.17 mm/d,顶底板最大移近量93 mm,变形速度15.5 mm/d。回采中期见方阶段,巷道两帮最大变形量49 mm,变形速度7.36 mm/d,顶底板最大移近量104 mm,变形速度16.2 mm/d。

3 结论

(1)从矿压显现特征与采场覆岩空间结构形式看,采场大面积的“C”型覆岩空间结构运动加剧了工作面的矿压显现程度,因此,研究覆岩空间结构运动对监测工作面压力和两巷围岩变形以及顶板管理具有重要意义。

(2)工作面在见方阶段,覆岩空间结构运动给工作面带来的影响最大,此时,巷道围岩变形最为严重。同时,覆岩中坚硬岩层的厚度、采深、断层构造等也将给覆岩空间结构运动带来影响。

[1] 钱鸣高,缪协兴,许家林等.岩层控制的关键层理论[M].徐州:中国矿业大学出版社,2000

[2] 宋振骐.实用矿山压力控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,1988