大面长工作面初采期矿压显现规律研究——以袁店一井煤矿为例

张 旭,陈登红,鲁德沛

(1.淮北矿业集团有限责任公司安全监察局, 安徽 淮北 235000;2.安徽理工大学矿业工程学院, 安徽 淮南 232001)

1 引言

近年来,随着浅部煤炭资源的开采日益减少,井工类采矿活动逐步向着深部开掘,为了减少遗留煤柱煤炭资源的损失,增加工作面开采长度不仅解决了遗留煤柱多,更减少了采煤作业工作面搬家倒面的次数,因而提高了煤炭开采率,减少了成本投入。工作面面长的增加和智能化煤炭开掘技术的选取是现代采矿中破解煤炭生产能力瓶颈的主要方法[1-3]。工作面面长增加,矿压显现规律和小面长有较大差异,大面长工作面矿压显现规律是保证大面长工作面安全作业的保障。宋选民等采用工业开采试验与观测研究,探求了工作面长度的增加对矿压显现强度的影响规律[4]。王国法等采用现场实测和理论计算的方法,研究分析了深井厚煤层超长工作面的支护应力特性,得出工作面支护应力出现“M”型三峰值可作为超长工作面的判据[5]。王家臣等针对深井超长工作面异常矿压常发生、难预测的问题,分析得出了工作面长度增加导致基本顶中部存在裂隙的概率升高,增大了基本顶在工作面中部发生局部破断的可能性[6-7]。缪协兴等采用模拟试验和现场实测的方案,得出随着超长综放工作面长度的增加,采场覆岩关键层的破裂块度将相应减小,但主关键层会发生来压现象[8]。以安徽省淮北市濉溪县五沟镇袁店一井煤矿为工程为例,运用理论计算、现场观测等方法,合理确定了袁店一井煤矿3221工作面初期矿压显现规律的分析,为工程背景相似的矿井提供理论依据。

2 地质概况

淮北矿业股份有限公司袁店一井煤矿位于安徽省淮北市濉溪县五沟镇。3221工作面地质构造较为复杂,煤层倾角在4～17°之间,平均倾角为9°,地面标高+25.72～+28.21 m,埋深323.9～411.8 m。3221综采工作面煤层较稳定,煤层厚度1.19～3.52 m,平均2.59 m,属中厚煤层,为综合机械化开采工艺。工作面位置及井上下关系见表1。

表1 工作面位置及井上下关系

3 现场矿压分析

初采期间工作面从距开切眼开始推至距开切眼38.7 m,收集所得的210#支架的支架阻力,此次重点分析的支架为25#、50#、100#、125#、175#以及200#,共计6台支架。通过surfer软件绘制回采过程中支护阻力与回采距离三维可视图,情况如图1所示。从图中可以看出上部支架25#～50#之间的支架支护阻力最为剧烈,平均煤层倾角为9°,造成这种来压的原因是上部支架离机巷近,机巷较风巷埋深大,岩层的自重应力也就更大。回采工作面处于来压及非来压状态时,对支护载荷的影响明显不同,因此支护阻力曲线的峰值一般为周期压力的位置。各支架支撑的峰值阻力和距离不同,表明每次来压的步距和强度不同。

图1 基于surfer软件的支护阻力与回采距离三维图

袁店一井3221工作面采用的ZZ10000/21/45型液压支架,根据图2～4中各位置的多台支护阻力曲线特性分析,随着工作面的回采推进距离自切眼到38.7 m时,25号支护阻力在22.40～40.10 MPa之间,50号支护阻力在16.34～40.80 MPa之间,100号支护阻力在27.20～39.30 MPa之间,125号支架阻力在25.80～41.30 MPa之间,175号支护阻力在25.70～33.40 MPa之间,200号支护阻力在25.80～30.50 MPa之间,通过数据变化看出工作面后方顶板依次从上部、中部、下部的顺序进行垮落。自切眼回采至28.9 m左右时支护阻力上升变化较大,可以判定为基本顶的初次来压,且初次来压步距为28.9 m,来压强度为40.8 MPa。基本顶的岩性特征、岩层厚度、基本顶上方覆岩的组成情况等因素决定于周期来压步距的大小。初次来压步距通常要比周期大,顶板周期来压步距一般可由公式(1)计算。

图2 3221工作面上部支护阻力折线图

图3 3221工作面中部支护阻力折线图

L周=(1/2-1/4)L初

(1)

式中,L周为工作面顶板周期来压步距;L初为工作面顶板初次来压步距。通过公式(1)计算,再结合工作面现场实际数据,初步确定3221综采工作面周期来压步距在7.23～14.45 m之间。

对共计6台工作支架进行长时间支架阻力监测,得出了工作面上部平均初次来压步距为28.9 m,中部、下部初次未见明显来压,其不同部位的来压步距不同,工作面后方采空区存在不同区域的滞后空间出现。从图2～图4得出,3221工作面上、中、下部支架支护阻力随着回采前进距离的增加逐次减小,工作面上部支护阻力变化水平大,强度高,而下部支护阻力变化水平小,强度低,中部支护阻力介于两者之间。3221工作面初次来压步距较小,顶板岩性力学参数较小,顶板属于滞后垮落的特征。

图4 3221工作面下部支护阻力折线图

初采期间,工作面从距开切眼开始推至距开切眼6.5 m范围内顶板始终未见垮落,推进范围在6.5～7.6 m内20-43、120-167架尾梁掉落大块矸石,推进范围在7.6～13 m内19-200架尾梁掉落大块矸石,推进范围在13～21.4 m内2-208架尾梁垮落严实(见图5a所示),推进范围在21.4～24.2 m内第一架架后未落,其他架后都已垮落严实,上隅角大顶已落,推进范围在24.2～27 m内从下隅角往架后看,第一架架后已落,其他架后都已垮落严实,上隅角大顶已落(见图5b所示),推进范围在27～28.9 m内下隅角掉点矸石,其他架后都已垮落严实,推进范围在28.9～38.7 m内架后已垮实,如表1所示为3221工作面初采期矿压分析表,从表中可以看出累计回采距离在28.9 m时,为第一次最大工作阻力,达到了41.4 MPa,为峰值工作阻力,判断为初次来压。

图5 3221工作面顶板压力情况现场图

4 结论

现场观测到工作面自切眼回采至28.9 m左右时支护阻力上升变化较大,可以判定为基本顶的初次来压,且初次来压步距为28.9 m,来压强度为40.8 MPa。初步判定基本顶的岩性特征、岩层厚度、基本顶上方覆岩的组成情况等因素决定于周期来压步距的大小,结合3221工作面现场实际数据,通过理论计算确定3221综采工作面周期来压步距在7.23～14.45 m之间。通过现场数据分析得3221工作面上、中、下部支架支护阻力随着回采前进距离的增加逐次减小,工作面上部支护阻力变化水平大,强度高,而下部支护阻力变化水平小,强度低,中部支护阻力介于两者之间。