庞庞塔矿综放面覆岩破坏特征与矿压显现规律

杨云刚

（霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿，山西 临县 033200）

据统计，厚煤层占我国现有煤炭储量和产量的40%以上。厚煤层具有储量大、赋存稳定、易实现高产等特点，是我国的优质煤炭资源。因此，科学合理的厚煤层开采技术和方法是保证厚煤层煤炭资源高效安全开采的前提［1-2］。目前，厚煤层开采主要采用综合机械化放顶煤开采方法，简称综放开采，其具有推采速度快、巷道掘进量和工作面搬家次数少、吨煤成本低、适应性强等优点［3］。我国在上世纪90年代开始研制开发综放支架和综放开采方法，自此，综放开采技术进入一个高效发展的阶段，在路安、阳煤、兖矿的煤业集团形成了一批以综放开采为主的大型矿区［4］。尽管综放采煤法得到了快速发展，但因综放开采一次性采出煤层厚，形成采空范围大，其覆岩破坏程度剧烈、矿压显现规律复杂［5］等原因，其应用起来仍具有一定的局限性。庞庞塔10#煤层某工作面煤层平均厚度11.8 m，煤层倾角3°～12°（近水平煤层），工作面采用综放开采方法，采高3.2 m，采放比在1∶2～1∶3 之间，在工作面回采期间，出现煤壁片帮和局部冒顶现象，直接影响到煤矿的高效生产。为此，本文以该工作面综放开采为工程背景，通过分析庞庞塔矿综放面覆岩破坏特征与矿压显现规律，为工作面开采和支架选型提供参考。

1 工程背景

庞庞塔矿开采井田位于山西临县程家塔和吉家庄一带，井田面积为98.535 35 km2，可采煤层包括5#上、5#、9#和10#煤层。其中10#煤层为全区稳定可采煤层，煤层赋存厚度在3.60～13.30 m之间，平均9.56 m，煤层含1～4 层夹矸（炭质泥岩），厚度在0.1～0.4 m 之间，该煤层顶板岩层主要为泥岩和石灰岩，底板岩层主要为泥岩。试验工作面开采10#煤层，煤层平均厚度11.8 m，埋深约328 m，工作面走向和倾向长度分别为2076 和185 m，10#煤层上方有一层0.5 m 厚的伪顶炭质泥岩，直接顶为6.69 m 厚的灰岩，基本顶为8.71 m厚的砂岩；直接低为1.89 m 厚的泥岩，基本底为2.0 m 厚的细粒砂岩。工作面开采储量5.24 Mt，工作面采用的采煤机、前后刮板机、液压支架型号分别为MG500/1140-WD、SGZ-800/750、SGZ-1000/1400、ZF12000/22/35。

2 综放面覆岩破坏特征

为充分了解试验工作面覆岩破坏特征，基于工作面生产地质条件，采用UDEC数值模拟软件建立长400 m、高300 m 的工作面开采模型，模型自边界120 m 处开挖以减小边界效应的影响，开挖厚度12 m，每次开挖10 m。图1 中（a）～（f）分别给出了开挖20 m、40 m、60 m、80 m、100 m 和120 m 时对应的工作面覆岩破坏特征。

图1 中随工作面的不断开挖，上覆岩层逐渐冒落破断。当工作面开挖20 m 时，直接顶岩层发生拱形冒落，基本顶岩层及上覆岩层变形量相对较小；当工作面开挖至40 m 时，直接顶岩层大范围冒落，随着悬空跨距的不断增加，基本顶岩层回转下沉，岩层所承受的极限应力超过了其承载能力，岩层出现初次垮落破断，这就形成了工作面初期来压。同时，基本顶岩层与上方覆岩出现较大的离层现象，此时的覆岩移动主要发生在采空区上方，暂时没有传递到工作面前方覆岩；当工作面开挖至60 m 时，基本顶出现第二次垮落破断，形成了第一次周期来压现象，同时，破断的岩体出现滑落失稳，基本顶岩层与上覆岩层的离层量继续增大，垮落的岩体形成台阶状分布；当工作面开挖至80 m 时，基本顶第二次周期来压，此时，基本顶上覆的岩层也出现了破断，覆岩位移量大幅度增加，相对离层明显，同时，大范围的覆岩运动，造成了工作面前方覆岩运动，影响范围约10 m，从而导致了工作面矿压显现严重；随着工作面的继续推进，基本顶岩层周期性破断，工作面前方覆岩向采空区出现明显水平位移，在达到充分采动前，覆岩破坏继续向上传递。

图1 不同开挖进度对应的工作面覆岩破坏特征

3 综放面矿压显现规律

为充分了解试验工作面矿压显现规律，监测了工作面液压支架工作阻力情况，其中，液压支架初撑力设计为7.7×103kN，图2 中（a）～（c）分别给出了工作面上部、中部和下部某架液压支架平均工作阻力变化曲线图。

图2（a）中位于工作面上部的基本顶上覆岩层周期来压步距约为16.9 m，其动载系数平均为1.13，来压影响范围约5.5 m，在长度为160.8 m的回采作业中，最大工作阻力为8.9×103kN，其平均工作阻力为7.5×103kN，占支架额定阻力的61.8%。图2（b）中位于工作面中部的基本顶上覆岩层周期来压步距约为22.0 m，其动载系数平均为1.19，来压影响范围约7.9 m，在长度为160.8 m的回采作业中，最大工作阻力为9.2×103kN，其平均工作阻力为7.4×103kN，占支架额定阻力的61.6%。图2（c）中位于工作面下部的基本顶上覆岩层周期来压步距约为16.4 m，其动载系数平均为1.37，来压影响范围约5.7 m，在长度为160.8 m的回采作业中，最大工作阻力为9.5×103kN，其平均工作阻力为8.9×103kN，占支架额定阻力的66.8%。综上所述，工作面周期来压步距在16.4～22.0 m，与数值模型得到的周期来压步距20 m相吻合，验证了综放面覆岩破坏特征分析的合理性。此外，通过实测表明，受煤层倾角影响，处于中下部的工作面矿压显现相对严重，工作面中部周期来压步距最大，影响范围最大，下部工作面支架工作阻力最大，动载系数最大。

图2 液压支架平均工作阻力变化曲线

4 结论

1）厚煤层综放开采一次性采出空间大，导致覆岩破坏剧烈、矿压显现剧烈，随着工作面开挖范围的增加，其影响范围逐渐扩展至工作面前方覆岩。

2）通过对支架工作阻力实测发现，处于工作面中下部矿压显现相对严重，其中，工作面中部周期来压步距最大，影响范围最大，工作面下部支架工作阻力最大，动载系数最大。

3）通过采用UDEC数值模拟和工作面液压支架工作阻力情况监测，得到工作面周期来压步距为16.4～22.0 m，为庞庞塔矿综放工作面开采顶板管理提供了科学依据。