浅埋厚煤层综采强矿压显现机理及协同控制

2020-10-27温大江

同煤科技 2020年5期

温大江

（国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司哈拉沟煤矿陕西榆林 719315）

厚煤层储量和产量占我国煤炭开采的45%，作为主采煤层，其安全高效开采具有重要意义[1]。我国中西部厚煤层开采具有采高大、埋深浅、工作面尺寸大等特点，其覆岩活动规律和采场控制具有特殊性[2]，工作面常会发生支架活柱急剧下缩甚至压架等动载矿压灾害事故，严重威胁煤矿的安全生产[3]。针对浅埋厚煤层开采课题，专家学者进行了广泛研究，主要集中在开采覆岩裂隙发育和采场应力分布方面[4]。由于一次采出空间大、推进速度快等采场环境，浅埋大采高工作面顶板破断特征和采场控制需要进一步研究，来提高开采的安全高效。

本文以某矿22520 综采面为研究对象，针对典型的浅埋厚煤层开采条件，采用现场实测、数值模拟和理论分析方法研究覆岩破断特征和应力演化，得到该条件下开采采场矿压显现规律并提出协同控制措施，为类似条件煤层安全高效开采提供指导。

1 生产概况

该矿22520 综采面位于22 煤五盘区，走向长度4 001 m，倾向长度为280.8 m。工作面南西为22519综采面采空区，与采空区间有15 m 的煤柱，北西为井田边界、北东为备采面22521 综采面，东南为22 煤中央辅运大巷，工作面与中央辅运大巷间留有128.6 m～304.8 m 煤柱。22 煤层埋深 66 m～149 m，平均厚度5.42 m，煤层倾角1°～3°。基本顶为石英长石，平均厚度12.36 m，灰白色，抗压强度57.8 MPa；直接顶为粉砂岩，浅灰色，平均厚度0.95 m，抗压强度33.4 MPa；直接底为泥岩，灰黑色，平均厚度6.6 m。

采用综采一次采全高采煤法，全部垮落法管理采空区顶板，采高5.3 m，循环进尺0.865 m。工作面选用EKF SL1000/6.3m/6557型采煤机、德国DBT 3×1000的刮板输送机及配套的525 kW 转载机、525 kW 破碎机各一台，配备英国RMI 公司生产的乳化液泵及喷雾泵，乳化液泵为四泵两箱，功率为4×280 kW，流量为430 L/min；喷雾泵为三泵一箱，功率为3×112 kW，流量为423 L/min。

2 顶板破断特征和应力演化规律

2.1 浅埋厚煤层开采采场结构特征

选用UDEC 软件建立浅埋厚煤层开采采场模型，采用Mohr-Coulomb 准则[5]。模型尺寸200 m×50 m，两边各留50 m 边界煤柱，底部及左右两侧为位移边界，上部施加2.5 MPa均布载荷。

开挖得到不同推进距离处覆岩垮落运移规律，推进15 m、25 m、35 m、45 m时覆岩破断结构演化图如图1所示。

图1 采场覆岩结构演化

由图1 可知，由于采高大，采空区不能被有效充填，直接顶和基本顶破断垮落后出现大幅下沉。当推进15 m 时（图1a），直接顶出现弯曲下沉但未破断；工作面推进25 m 时（图1b），直接顶初次破断，跨落后充填于采空区内，此时采空区未被充满。当工作面推进35 m 时（图1c），基本顶初次破断垮落，形成砌体梁结构，工作面矿压显现剧烈，工作面出现明显下沉；工作面继续推进（图1d），直接顶和基本顶的周期性垮落。

2.2 浅埋厚煤层开采采场应力演化

图2 工作面超前支承压力分布图

工作面超前支承压力变化见图2，由图2 可知，工作面顶板超前支承压力影响范围约为45 m～50 m，受支承压力剧烈影响长度最小距离为4.34 m，最大长度为22.78 m，平均为17 m。工作面回采50 m时，采空区出现高应力值点，当工作面回采时，采空区垮落岩层逐步压实，工作面上覆岩层压力逐渐向采空区转移。

由图3 分析可知，超前支承压力峰值随推进而逐渐增大，超前支承压力峰值最大为17.50 MPa，最小为10.36 MPa，平均值为14.96 MPa；应力集中系数最大为2.19，最小为1.30，平均值为1.87。

3 支架支护强度验算

（1）所需支护强度计算（经验公式）[6]

P=9.8khrkN/m2

式中：P—工作面合理的支护强度，kN/m2；

h—采高为5.3 m；

r—上覆岩层容重平均2.31 t/m3；

k—支护上覆岩层厚度与采高之比，一般为4～8，取7倍计算[6]，则：

P=9.8×7×5.3×2.31=840（kN/m2）=0.84 MPa

（2）所需支护阻力验算

工作阻力应满足顶板支护强度要求，即支架工作阻力由支护强度和支护面积所决定[6]。

式中F—支架所需工作阻力；kN

q—工作面最大支护强度，取0.9 MPa；

S—支架的支护面积，m2。

式中L—支架顶梁长度，4.49 m；

C—端面距，0.660 m；

B—截深，0.865 m；

b—支架中心距，1.75 m；

K1—架间距，0.05 m。

F=0.9×6.015×1.8×103=9744.3 kN

选用郑煤ZY10800/28/63 二柱掩护式液压支架，配套支架工作阻力分别为10 800 kN，基本满足要求。

据测22520工作面距切眼213.5 m～1151.7 m区域上覆为12204、12202、12201采空区、空巷及顺槽煤柱，上述工作面均采用大采高一次采全高工艺，回采的12煤平均厚度2 m，工作面区段煤柱宽度15 m。上覆采空区与22520工作面层间距21.8 m～28.2 m，影响推进距离938.2 m。过上覆采空区集中煤柱期间可能会出现动载矿压压架、涌水增大、气体异常等隐患，需编制专项安全技术措施，采取协同控制措施。

4 支架适应性的工业性试验

在22520工作面中部145 m处布置测点，对回采期间矿压显现及支架工作状况进行检测，得到如图4所示工作阻力变化。

图4 支架工作阻力变化

如图4 所示，在工作面回采140 m 的过程中，工作面共经历8 次来压，来压步距最大为16 m，最小为9.6 m，平均为11.9 m；工作面来压时的影响范围为0.8 m～3.2 m，平均影响范围为2.0 m；工作面平均动载系数为1.29，来压期间支架最大工作阻力为9 804.88 kN，平均工作阻力为8 341.52 kN，分别占额定工作阻力的90.7%和77.2%，表明来压期间工作面支架支护能力好，支架工作阻力的富余量较大。