深部开采矿井回采工作面覆岩变化规律研究

文/孙永奎

深部开采矿井回采工作面覆岩变化规律研究

文/孙永奎

矿井进行深部资源开采时，其矿山压力规律与浅部有一定区别。因原岩应力的增加，导致深部矿井岩体的流变性增强，从而使深部矿井开采过程中的巷道围岩在表观上呈现松软、破碎的状态，甚至某些巷道围岩明显呈现软岩的特征。同时,回采过程中，采掘空间的周围会产生集中应力即支承压力。支承压力将沿回采工作面推进方向传播，使巷道受到不同程度的一次或多次支承压力影响，引起巷道围岩在一定程度及阶段内处于应力集中状态，破坏区和塑性区范围逐步扩大，致使巷道难于维护。

黑龙江龙煤集团鸡西分公司东海煤矿作为集团分公司13个主力矿井中进行深部资源开采的矿井之一，了解深部回采工作面覆岩变化规律，科学确定支护方案，对矿井的安全高效与可持续发展有着显著意义。本文针对东海煤矿五采区32#层195采煤工作面采用矿压观测了解覆岩变化规律的研究与应用进行了阐述，为矿井深部开采超前支护及冲击矿压防治提供了参考。

一、工作面概况

195采煤工作面位于矿井二水平五采区32#煤层，地质构造复杂。在右十一路9#点后4.5m处，有一走向170°倾角60°落差上帮0.5m下帮0.3m的正断层，但对工作面影响甚微，预计最大涌水量为1～2m3/h。

195采煤工作面平均埋深为1060m，属于典型的深部回采工作面。煤层厚度1.5m，向南单倾斜构造，无褶皱，开采面积160050m2，采用采煤机落煤、单体液压支柱支护的回采方式。

二、矿压观测区域设置

矿压观测是通过对长壁工作面支柱工作阻力、顶底板移近量和活柱下缩量的定期监测与分析，精确掌握回采工作面推采过程中顶板运动倾向和来压垮落的规律。通过监测矿压，可随时掌握深部开采长壁工作面支柱的工作状态，掌握顶板运动规律，由此确定需控岩层范围和参数,分析采煤空间支架围岩相互作用关系,为合理安排工序、合理选择采煤参数以及进行顶板控制设计提供了有力依据。

1.工作面测区布置

在采场内设上中下3个测站，每个测站设置2条测线，上下测站与顺槽煤柱间距15m。每条测线全部支柱安装压力计，由煤壁至采空区分别为P1、P2、P3、P4。每条测线均在带有压力表支柱下方靠近煤壁一侧20cm左右设观测点，由此测量顶底板移近量及移近速度，测点必须在顶底板中安设牢固。（见图1）

2.上下顺槽测区布置

图1工作面支柱阻力测区布置示意图

上下顺槽的超前支护部分，在20m范围内每隔5m设置一个测点，每个测点处安装1块YHY60(C)型矿用数字压力计，每条顺槽共设置4个测点，上下顺槽合计安装8块。随着工作面的不断回采推进，各测点依次回撤前移，但上下顺槽内始终保持4个测点不变。（见图2）

3．支柱工作特性及适应性分析

工作面采用单体液压支柱设计压力上限值为38Mpa，安全阀卸载压力是38Mpa，详细技术参数指标见表1。

由统计分析可知，实测上部测站支柱平均工作阻力为21.5MPa，占支柱额定工作阻力的57%；2号测站支柱平均工作阻力为19.6MPa，占支柱额定工作阻力的52%；3号测站支柱平均工作阻力为18.4MPa，占支柱额定工作阻力的48%。由此可见，所选测区内支柱实际工作阻力相对不高，完全满足支护要求，安全系数较大。

4．老顶周期来压监测与工作面矿山压力观测结果分析

根据YHY60(C)型矿用数字压力计监测数据可知:在整个观测期间，上部测区和中部测区来压时有部分支柱安全阀开启，下部支柱压力基本未超额定工作阻力（41MPa）。从支柱压力变化曲线可以看出:工作面周期来压步距12～20m，工作面中部来压先于上部和下部，最大平均压力上部和中部偏高，工作面下部偏低。

同时,为了得到工作面沿倾向上压力分布规律以及沿走向支柱上压力分布规律，分别对工作面上部210#209#198#196#支柱位置、中部70#69#支柱位置和下部50#49#支柱位置的第一、二、三排单体液压支柱进行了压力监测。结果如下：沿工作面走向越靠近煤壁，支柱压力值越小，越靠近采空区支柱压力越大。

图2上下顺槽超前支护测区布置示意图

表1支柱基本技术参数表

三、研究结论

经过理论分析与实际压力观测数值对比，深部开采矿井回采工作面覆岩变化规律有如下特点：

1.直接顶破碎

随着回采工作面的推进和控顶范围内的顶部下沉，直接顶的节理裂隙越来越多，特别是越靠近煤壁，其节理裂隙越多，使回采工作面直接顶板比较破碎，控顶区内冒落度高。回采工作面正常推进或按正规生产时，直接顶破碎程度体现较少，一旦回采工作面停产1～2天后，直接顶破碎程度表现明显，具有明显裂隙、支护能力不足导致台阶下沉的特征。

2．工作面超前支撑压力影响范围大

随着开采深部的不断增加，煤层顶板岩层承受的岩层厚度和容重也随之增加，使顶板岩层承受较大的静压力与支撑动压力。煤层顶板在承受较大压力、超过压力峰值曲线时产生一定的节理裂隙，降低了岩层的抗压强度。

深部回采工作面前方压力是一个固定值（包括静压力与动压力），而顶板的抗压强度降低，迫使顶板压力向工作面的四周转移，使回采工作面超前支撑压力影响范围扩大，导致超前影响距离大，回采工作面前方100m即可观测到顶板压力的影响情况。

3．煤壁片帮严重，基本顶断裂位置前移

由于深部回采工作面上腹岩层的厚度大，引起压力大，而煤层或直接顶承载的抗压强度较小，使其在超前压力峰值附件，煤层与直接顶岩层已经产生了一定的节理裂隙，导致承载能力降低，顶板下沉。如深部开采煤岩层的上覆岩层压力一般达到20～25Mpa，加

上回采工作面超前集中移动压力的影响，使工作面前方煤岩层承担30Mpa以上的压力。

当深部开采煤壁前方的压力超过煤层的抗压强度时，工作面前方煤壁极易产生下沉变形、煤壁片帮等，特别是采高越大和支柱、支架初撑能力较小的情况下，煤壁片帮更加严重，引起超前移动支撑压力峰值点前移和基本顶断裂位置前移。

（作者单位：黑龙江龙煤矿业集团股份有限公司）

（责任编辑：周琼）