庞庞塔矿9-700综放工作面上覆岩层“三带”发育情况探究

张 飞

（霍州煤电集团有限责任公司团柏煤矿 ，山西 霍州 031414）

1 工程概况

霍州煤电集团公司庞庞塔矿的9-700综放工作面位于9#煤七采区南翼0#工作面，工作面走向长2394m，倾斜长232m，埋深约为370m，综放工作面所采煤层厚度为9m～13.55m，平均11.8m，属于特厚煤层。煤层倾角4°～24°，平均14°，综合考虑高效、经济等多方面因素，采用单一走向长壁采煤法，工作面采煤高度为3.2m，放煤高度为8.6m，1：2.69的采放比，滚筒0.8m的截深，及时支护，单轮顺序放煤。工作面沿底板推进，不留底煤，以9#煤层第二层夹矸为底顶板。顶底板岩性、厚度等特性见表1。

9-700综放工作面北边为回风立井工业广场保护煤柱和工业广场，西边是实体煤，东边相邻的是9-702综放工作面的采空区，南部为村庄保安煤柱。9#与5#煤层层间距约为55m，9-700工作面上部为正在开采的5上-110工作面及5上-112工作面（开采年限1968年-2007年）以及一些原老矿采空区。由于层间距较近，属于近距离煤层，9-700工作面的顶板不仅受到该工作面的采动影响，同时也经受了5#煤层开采对底板的扰动，故在9-700工作面推进过程中，顶板来压及液压支架的荷载很可能出现较大异常，故现在紧密的监测周期来压的特性和液压支架的工作情况，来保证开采活动的安全高效的进行。

表1 煤层顶底板特征表

2 矿压观测分析

9-700工作面东侧为9-702工作面的采空区时，工作面顶板存在有规律的大小周期来压现象，但是当工作面推进至9-702工作面主辅回撤通道间煤柱时周期来压步距出现异常，具体表现为大周期来压步距大约为45m，小周期来压步距大约为13m，大周期来压导致40～120号液压支架安全阀全部开启，中部液压支架的工作阻力最大可达11680kN，一些液压支架的动载系数达到2.0。此外还有没有规律性的小周期来压，来压区域分为工作面上部和下部，来压时部分支架安全阀连续开启。随着工作面的推进至距主辅回撤通道煤柱200 m以内时，大小周期来压频率均有一定程度上的增加，具体情况如图1，图中绿色代表大周期来压，红色表示小周期来压。来压期间顶板活动剧烈，液压支架活柱下缩量达到650mm，支架安全阀的频繁开启，给工作面的顶板管理造成很大麻烦。

为了更好的控制9-700工作面的顶板，解决液压支架安全阀频繁开启失效的问题，首先需要解决上覆岩层“三带”高度的划分问题，而且“三带”高度的准确判定是“三下”安全采煤设计、上邻近层瓦斯抽放技术以及覆岩离层充填技术实施和研究的基础［1-2］。

图1 顶板周期来压示意图

3 理论计算

目前普遍用于煤层上覆岩层“三带”高度计算的是《“三下”采煤规程》的经验公式。但是顶板覆岩为中硬岩层并采用综放开采时该公式就不适用。9#煤层的平均厚度为11.8m，属于特厚煤层，并且由9#煤层的顶底板岩性特征表可知煤层的直接顶和老顶分别为泥质灰岩和砂岩，为中硬岩层，故不能采用《“三下”采煤规程》的经验公式。厚煤层分层开采方法的经验公式具体计算如下[3]：

破碎冒落带高度经验计算公式为：

式中：∑M为煤层总厚，m。

导水裂隙带高度计算公式为：

将霍州煤电集团公司辛置煤矿范围内煤层数据分别带入式（1）、（2）计算可以得知上覆岩层的破碎冒落带的高度为：13.65～18.01m，裂隙带的高度为：46.89～58.09m.

现在研究的9-700工作面，属于特厚煤层综放工作面，加上5#煤层采动的影响，“三带”发育的程度明显比普通分层要大，这时明显就不能采用特厚煤层分层开采的计算公式，具体计算可以用以下经验公式来计算覆岩“三带”的高度。

破碎冒落带高度计算公式为：

导水裂隙带高度计算公式为：

将9#煤层的数据带入式（3）、（4）可以计算得到：9#煤层9-700工作面上覆岩层的冒落高度为42.68～52.10m，导水裂隙带高度为 106.7～129.68 m。

开采范围内由裂隙带顶端至地表所以岩层全部为弯曲下沉带，弯曲下沉带高度计算的经验公式如下：

式中：Hhc为弯曲下沉带高度；H为工作面所在煤层的平均埋深；Hli为裂隙带高度；Hm为破碎冒落带高，单位均为m。

9#上部为5#煤层，层间距为55m左右，并且一些区域已经开采完成，9-700综放工作面上部为正在开采的5上-110工作面和5上-112工作面（开采年限1968年-2007年）以及一些原老矿采空区，工作面上覆岩层已经不是原始的赋存状态，因此在计算工作面上覆岩层的三带高度时这些经验公式的精确性令人质疑。

4 现场实测覆层裂隙

想要准确获取9#煤层上覆岩层“三带”的发育情况，最可靠的方式是采用观测孔实地测量，现设计采用观测孔进行测量，观测孔的位置、长度、倾角等特征如图2。观测孔布置在9-700工作的运输顺槽，3个观测孔倾角分别为40°、45°、50°，长度均为80m，终孔位置距离9#煤层顶板的垂直距离分别为51.42、56.57、61.28m。用CXK6矿用本安型钻孔成像仪观测在9-700综放工作面开采前后岩层的裂隙发展状况，观测岩层异常变动的层位，由此得出霍州煤电集团公司辛置煤矿9-700综放工作面上覆岩层“三带”的具体发育情况[4]。

图2 观测孔布置示意

3个观测孔超前工作面60m成孔，采前位置指的是当工作面距观测孔20m以上时观测裂隙密集区的位置，采后位置指的是工作面推进至距观测孔距离不足8m时进行观测。9-700综放工作面开切眼后工作面每推进1.6m（两刀）观测一次数据，稳定后没10天或者15天测一次数据，得到的数据详细记录在册。观测得到的各个观测孔彩前、采后钻孔内裂隙密集区距离9#煤层顶板的垂直距离汇总详情见表2。

表2 覆岩裂隙密集区统计情况

通过窥视仪的图像得知不同钻孔中裂隙、裂缝密集区位置，然后从横向和纵向两个方向来分析上覆岩层的演化规律，从3个窥视孔得到的监测数据可以得知;工作面的开采不仅使裂隙的数量增多，也使裂隙带的范围在一定程度增大。

在开采前9#煤层上覆围岩裂隙密集区大概在42m左右，工作面推进至钻孔附近时，裂隙密集区发育至48.5m左右，裂隙密集区在各个方向上都形成了大量的裂隙和裂缝，具有完整的裂隙面，可以将其认定为冒落带的边界，故开采后冒落带高度大约为48.5m，此时采用《“三下”采煤规程》中的公式计算出的结果（13.65～18.01m)明显偏小，用经验公式计算的结果（42.68～52.10m）就与实际情况特别接近，证明该经验公式在估算特厚煤层综放工作面采场“三带”的发育高度时取得良好的效果。此外，由于9#与5#煤层间距为55m，属于近距离煤层，冒落带高度很接近层间岩层的厚度，因此当工作面推进至上部为老矿采空区时，必须密切的关注液压支架的动向，或者采用安全系数更大的液压支架，保证工作面的正常生产。

5 结 论

1）通过现场顶板周期来压状况的观测，掌握顶板周期来压的规律，为开采工艺、设备的优化提供参考依据。

2）理论计算了9-700综放工作面上覆岩层“三带”高度的发育情况，并应用现场窥视实地测量了上覆岩层的冒落带高度，验证了经验公式的有效性。

3）9-700综放工作面，由于上覆岩层的复杂特征，在推进过程中必须适当的增大液压支架的工作阻力，不能单纯的考虑层间岩层的冒落，为进一步解决液压支架失效的问题指明了方向。