综采充填工作面顶板活动规律探讨

郝宝生

(冀中能源股份有限公司邢台矿,河北省邢台市,054026)

冀中能源股份有限公司邢台矿为解放矿区范围内的村庄及工业广场建筑物、断层、冲积层下大量呆滞煤炭资源,2008年,与中国矿业大学合作,试验研发了“建筑物下综合机械化充填采煤技术”,将地面矸石与粉煤灰等废弃物直接充填到工作面的采空区,并通过自夯式充填开采液压支架对充填料进行夯实,增加充填率,从而有效抑制和减缓了顶板移动及控制地表变形量,取得较好的技术经济效果。

1 概况

“建筑物下综合机械化充填采煤技术”在冀中能源股份有限公司邢台矿7606充填工作面试验应用。该工作面对应地面位置位于邢台矿工业广场西北部。矿区专用铁路线和南三环公路从工作面上方穿过。工作面正上方是矿机修厂电器车间,以南分别是宿舍楼、机修车间、地面注浆站,距工作面水平距离最近点在80～140 m之间,地面标高+85 m,工作面标高-210～-250 m。

7606工作面位于东翼六采区,东北部靠近7602工作面采空区,西北部为F10断层,南部距-210西大巷50 m,东部距井底车场100 m。工作面位于工业广场保护煤柱线内。工作面倾斜长度为50 m,走向长度为460 m,设计可采储量为10.81万t。

工作面所采煤层为2#煤层,煤层结构复杂,煤层倾角7～10°,平均倾角9°,煤容重1.8 t/m3,煤层平均厚度为5.79 m,工作面埋深为295～335 m,平均约为320 m。煤层中下部有一层夹矸,平均厚0.4 m,将煤层分为上下两个自然分层,上分层平均厚2.79 m,下分层平均厚2.6 m,工作面区域内煤层为一单斜构造。2#煤层属于二类自燃煤层,自燃期为12～18个月,煤尘具有爆炸危险性,煤尘爆炸指数为32.75%～38.11%。瓦斯绝对涌出量为0.2m3/min,相对涌出量为0.02 m3/t。地温、地压正常。

2 顶板矿压观测方案的设计

2.1 观测内容及目的

邢台矿7606综采充填工作面采用电子测量在线监测仪器,分别在支架、采空区、两巷布置测点。采场矿压监测技术路线设计如图1所示。观测支架的工作阻力、初撑力的压力变化、推进度与下沉量、充填体的应力、两巷压力,全面掌控顶板下沉、矿山压力随工作面推进的变化规律,全方位、全时段观测采场矿山压力显现及矿压活动规律的变化。

图1 采场矿压监测技术路线设计图

2.2 观测方法

(1)支架压力在线监测设备。工作面支架采用在线压力计、数字压力计监测压力情况。共安装6块支架压力在线监测仪,标号1#、2#、3#、4#、5#、6#,按顺序每隔9架支架安设一块。

(2)充填体应力传感器布置。在距离切眼15 m、65 m、105 m、165 m的位置沿工作面的倾向分别布置4组充填体应力传感器。每组3个,标号为1#、2#、3#,其安装位置分别为9#支架、16#支架和25#支架后,距离底板0.5 m。

(3)两巷锚杆、锚索压力传感器的安装。为分析充填开采对锚杆、锚索锚固力的影响,在两巷共安装了8只锚杆传感器和8只锚索压力传感器。自切眼开始,两巷中每隔50 m布置1组(1个锚杆、1个锚索压力传感器)。

(4)顶板离层仪的安设。在两巷安装了16台顶板离层仪观测顶底板移近量。自切眼开始,两巷中每隔50 m布置1组,每组布置2台。

3 数据分析

3.1 充填支架工作阻力实测结果与分析

根据监测的数据,并与传统垮落法相比,可知综采充填工作面所需支护强度明显小于传统综采,对比数据见图2。

(1)充填开采工作面支架工作阻力整体偏低,平均仅为2657～3252 kN,只相当于全部垮落法的65%,说明充填开采工作面采空面区充填体承担了顶板的部分压力,支架承载载荷减小。

(2)工作面开采以来,工作面2#、5#支架监测仪出现最大工作阻力,且出现过安全阀开启现象(出现在工作面推进到约80 m、130 m的区域)。分析认为该两架监测仪位于工作面两端,此处没有密实充填,充填体未能有效控制顶板运动,其顶板部分载荷由支架承担,出现了靠近工作面两巷区域部分支架压力明显高于工作面中部现象。

(3)每当工作面推进约30～40 m左右时,工作面支架压力会出现整体明显增高现象,但增高幅度远小于垮落法开采,只有垮落法开采的30%,特别是距工作面超前支护段10 m左右的范围内更加明显。分析其原因是基本顶内各关键层发生了离层,使直接顶下沉速度发生变化,表现为直接顶对支架的压力发生变化(压力增高),增高幅度小于垮落法开采,说明基本顶并没有发生大规模的断裂。

图2 传统垮落法与充填法工作面支护强度对比

综上所述,充填开采减弱了工作面的矿压显现,充填体可有效控制顶板的运动。又由于支架、煤壁与矸石充填体(或破碎的直接顶)共同承载基本顶及其承载体,因而对支架的作用力减弱,所需的支护强度减小。

3.2 顶板离层变化规律分析

为分析两巷顶板随工作面的推进变化规律,分别在两巷安装16台顶板离层仪,其监测结果如图3所示。

(1)在距切眼40 m范围内,顶板离层值基本稳定,变化缓慢。

(2)当距切眼48～57 m时,由于受工作面采动影响,顶板离层值迅速增大,运输巷中的8#顶板离层仪在短时间内增大至110 mm,说明此处顶板发生局部裂隙。

(3)距切眼60 m时,由于工作面充填体对上覆岩层的支撑作用,以及离层区上部岩层的继续下沉,顶板离层区又迅速闭合。运料巷中7#顶板离层仪迅速增大至40 mm,但工作面推过之后离层值仍为25 mm,说明此处工作面顶板岩层由离层向充分压实过渡。

图3 顶板离层与工作面推进长度变化关系图

(4)距切眼76～88 m时,7#顶板离层仪迅速增大至50 mm,直到工作面推过100 m以后,顶板离层区逐渐闭合。说明此处顶板岩层由于充填体的压实变形增大,顶板岩层发生了较大的下沉变形,但随着充填体最终压实,顶板岩层又充分压实闭合。

根据分析可知,充填工作面的超前影响范围比常规开采要小,并且由于充填体的支撑作用,工作面顶板随着工作面推进先后经历离层、闭合的过程。随着工作面的推进,直接顶达到其垮落步距时发生垮落,由于矸石粉煤灰充填体与破碎直接顶的碎胀性,基本顶达到其垮落步距而发生垮落时与破碎的直接顶接触,基本顶也发生下沉而与上部关键层发生离层,关键层在其上部覆岩的载荷作用下产生弯曲变形,但由于离层空间小,关键层及其承载体直接作用于其下的软弱层,随着变形量的增加,其下部软弱层给予的支撑作用加强,从而限制了关键层的弯曲变形量,变形特征如图4和图5所示。

因此,充填综采与传统综采相比,基本顶的垮落步距增大,覆岩变形空间减小,上部关键层发生的弯曲下沉变形量较小,一般情况下不会失稳破断,依然可以作为覆岩自重的承载主体。

3.3 充填体压力实测分析

对充填体的压力情况进行在线监测,充填体压力随工作面的推进距离变化情况如图6所示。

图6 充填体压力随工作面的推进距离变化情况

(1)充填体压力监测仪均有压力,其中最大为6.0 MPa,说明充填开采充填体对顶板的下沉起到了抑制作用。

(2)充填体压力监测仪在工作面后方2～5 m的范围内开始有压力显示。主要是由于随着工作面的推进,工作面后方的顶板压力由支架与煤壁承载,逐渐转移至充填支撑体上。

(3)充填体压力仪距工作面40 m时,最大压力为6.0 MPa,距工作面15 m时,最大压力仅为3.5 MPa。主要原因为前者处于较充分采动区域,后者由于距切眼距离较近,顶板部分载荷由支架和煤壁承担。

3.4 运料巷巷宽移近量分析

在运料巷距工作面煤壁60 m处,布置一组测点,观测运料巷宽随着工作面的推进变形情况。测点采用煤电钻在两帮打眼然后安装锚杆,以作观测标记,用精确度为毫米的钢卷尺观测顶底板移近量情况,收集变形数据。运料巷巷宽随工作面的推进变化情况如图7所示。

图7 运料巷巷宽与工作面推进量关系曲线图

根据测站总体数据可得出:

(1)测站距离工作面20 m以外的范围内,巷宽变形值基本稳定,变化缓慢,变化幅度占总变形量的10%左右,说明在该范围内两巷基本不受采动影响;

(2)当测站距离工作面20～15 m范围时,由于受工作面采动影响,两帮变形迅速增大,变化幅度占总变形量的70%左右;此阶段达到变形最大峰值,说明此处顶板在矿山压力作用下发生了离层;

(3)当测站距离工作面15～0 m处,变形量小,变化幅度占总变形量的20%左右。巷道变形缓慢,分析认为巷道进入超前支护阶段,测点距工作面越近支架支护能力增强,控制了直接顶与老顶的下沉,产生了离层闭合现象。

矸石充填综采与传统综采相比,基本顶的垮落特征受充填、破碎直接顶的支撑作用,其给予支架、煤壁等的动载系数将减小,工作面的矿压显现特征不明显。

4 结论

(1)综采充填工作面采空区中矸石与粉煤灰作为充填支撑体承担了上覆岩层的一部分载荷,明显减弱了工作面的矿压显现强度,支架工作阻力只有全部垮落法的65%,充填体可有效抑制顶板的运动,工作面顶板周期来压强度只有垮落法的30%,基本顶只发生离层并没有断裂。

(2)矸石充填综采与传统综采相比,采空区基本顶的垮落受充填体、破碎直接顶的支撑作用,其给予支架、煤壁等的动载系数将减小,采场矿压显现特征不明显。

(3)采空区充填体的充实度对支架压力显现有重要影响,工作面中部充实度高,支架压力显现偏低;两端充实度低,支架压力显现高。

(4)由于充填体的支承作用,矿压集中程度减弱,充填工作面的超前压力影响范围要比常规开采小40%。

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