大采深综放工作面顶板运动规律研究

1、大采深综放工作面顶板运动规律研究邢延团（淄博矿业集团有限责任公司 许厂煤矿 山东 济宁 272173）摘要：随采深增大工作面顶板覆岩的运动规律与浅部有很大不同，本文从大采深条件下综放工作面工程实践出发，研究了工作面顶板在纵向方向的破坏范围和推进方向的运动规律，给出了该条件下顶板的垮落步距及其对放顶煤的影响。实践表明，在研究顶煤及煤层顶板运动规律的基础上，采取合理开采技术，可提高采出率，减少资源浪费。对实现矿井高产高效，以及指导类似条件下煤炭开采都具有重要意义。关键词：放顶煤，覆岩移动，顶板来压规律，垮落步距1 引言淄博矿业集团许厂煤矿煤层厚度变化较大，有自然发火倾向，断层较发育，煤层含有夹矸且

2、较稳定。由于煤层的厚度变化较大，采用传统的采煤方法必然对矿井的技术、经济带来许多不利影响，而放顶煤开采技术对煤层厚度变化的适应性较强13，但对缺乏该条件下放顶煤开采时覆岩移动变形破坏动态变化过程及空间形态与特征的研究，若套用其他煤矿的经验势必不能很好的指导生产实践，因此，在研究顶煤及煤层顶板运动规律的基础上，实施放顶煤开采技术，实现矿井高产高效具有重要意义。因此，本文以许厂煤矿4306工作面开采过程中，覆岩移动变形破坏动态变化过程及空间形态与特征的实测资料为基础，研究了工作面顶板在纵向方向和推进方向上的破坏与运动规律。取得的成果对于指导今后类似条件下采用放顶煤一次采全高开采技术，以及采取相应的

3、安全生产措施，有着重大现实意义。不仅充分利用现有煤炭资源，提高采出率，还延长了矿井服务年限。2 工作面地质及技术条件4306工作面所采煤层为下二迭统山西组3下煤。黑到黑灰色，沥青、玻璃光泽，条带状结构，内生裂隙发育，充填钙质和黄铁矿薄膜；贝壳状、菱角状断口，局部见少量瘤状、椭球状黄铁矿结核，沉积较稳定，结构简单；煤层局部含有泥岩、粉砂岩夹矸,厚度00.02m，平均0.01m。煤层硬度f=13，煤岩类型为半亮型，以亮煤、暗煤为主，夹少量镜煤条带。属低灰、低硫、特低磷的优质气煤。从现场两巷实际揭露情况看，煤厚变化幅度较大，厚度在0.85.2m之间，平均4.10m，由于受褶曲和断层的影响，最薄处靠近

4、开切眼区域的皮带顺槽端，可采指数为1。该面在倾斜方向上煤层倾角09，局部可达14，且向斜轴始终贯穿于整个回采工作面，总体上南高北低，东高西低。直接顶岩性多为粉细砂岩互层；老顶为中细粒砂岩；直接底为泥岩、粉砂岩；老底灰白色中细砂岩。3 顶板沿纵向方向运动规律3.1 直接顶厚度4306工作面煤层厚度变化较大，如果按统一的放顶煤工艺及参数来操作，必然使得采出率在某些地段高，在某些地段低，这种情况难免会导致直接顶的厚度（即冒高）产生相应的变化。考虑到割煤和放煤的采出率不同，总采出率按85%计，取冒落顶煤碎胀系数为1.3，岩石碎胀系数为1.4。按以下公式计算直接顶的厚度mz为 （1）式中：h-煤层厚度，

5、m；-因丢煤而引起的充填厚度，m；Kp-煤岩层的碎胀系数。从以下3个方面来考虑直接顶的厚度，然后再求得直接顶厚度的平均值：（1）按煤层最大厚度5.20m计算。丢失煤炭的充填高度1=1.014m，此时直接顶可能的最大厚度mz1为10.5m。（2）按煤层平均厚度4.1m计算。丢失煤炭的充填高度2=0.80m，此时直接顶可能的最大厚度mz2为5.75m。（3）按煤层最小厚度0.8m计算。丢失煤炭的充填高度3=0.16m，此时直接顶可能的最大厚度mz3为1.6m。由以上可知，直接顶的变化厚度应是比较大的，其平均值为5.95m。这是可能的最大冒高，即采空区完全被充满。根据许厂煤矿及其它煤矿放顶煤开采的经

6、验，采空区不可能被充填满，因此，实际直接顶的厚度应小于此值。未充填空间高度按1.0m计，则实际直接顶厚度约为4.95m。3.2 老顶的厚度根据相关矿压理论知，采场支架对老顶采取“给定变形”工作方式46，故二者在相互作用的动态过程中不存在力学平衡关系，不能用实测的支架阻力反算老顶厚度，在此，只能用实测的老顶运动步距来反演老顶的厚度。从以下2个方面来考虑老顶的厚度，然后再求其平均值。（1）根据初次来压步距，由式2计算可得老顶的厚度mE0为2.0m。 （2）式中：C0-老顶初次来压步距，33.3m（见表1）；E-老顶岩层平均容重，27kN/m3；t-老顶岩层抗拉强度，8MPa。（2）根据周期来压步距

7、，由式3计算可得求出第一次周期来压的老顶厚度mE1为5.24m；由式4计算可得第二次周期来压mE2为5.66m。 （3） （4）式中：C1老顶第一次周期来压步距，15.9m（见表1）；C2老顶第二次周期来压步距，17m（见表1）。按来压步距加权平均，可得老顶的厚度为3.72m。由以上计算可知，对采场有明显影响的上覆岩层范围为8.67m。表1 顶板来压特征顶板活动阶段经历时间来压步距/m宏观现象描述初次来压5.35.2033.3煤壁开始出现片帮，由输送机机头向机尾方向逐渐增大，但从整体来看压力不大第一次周期来压5.255.2815.9工作面的压力比平时略有升高，煤壁有片帮第二次周期来压5.255

8、.2817工作面的压力比平时略有升高，煤壁有片帮4 顶板沿推进方向运动规律在4306综放工作面试采过程中观测了支架阻力的变化情况、煤壁片帮情况及回采巷道的变形情况。工作面支架阻力与推进步距的变化关系如图1、2所示。从图1、2中支架阻力的变化规律分析出工作面顶板沿推进方向的来压特征，见表1。后柱（a）前柱（b）图1 前后柱压力与推进步距的关系整架阻力/kN图2 整架阻力与推进步距的关系从以上两图可以看出：（1）顶煤初垮特点。工作面回采初期阶段，支架后柱平均阻力明显高于前柱阻力，此时采空区悬顶不断增大，工作面推进6m时，前后柱阻力持平，以后前柱阻力大于后柱阻力。说明顶煤初垮完成，初次垮落步距为6m

9、。（2）随工作面推进，顶煤不断冒落，采空区悬顶不断增加。从工作面推进到10m时起，顶板中不断传来压力炮声，表明顶板因拉应力超限而产生了断裂，当工作面推进到12m时，采空区大面积冒落，形成冲击波，说明工作面直接顶初次垮落，步距为12m。（3）老顶运动规律。直接顶垮落后，老顶逐步悬露，随采空区面积增加，采场矿压显现更加明显，至工作面推进到30m，支架阻力开始明显升高，后柱阻力明显高于前柱，煤壁开始出现片帮，到工作面推进33m，支架阻力明显降低，老顶垮落基本完成。从现场矿压观测情况判定：老顶初次垮落步距为33.3m，来压影响20m。总之，老顶的来压过程具有间断性，再加之工作面为首采面，周围均为实体煤

10、，所以矿压显现必然缓和，对采场造成宏观影响不明显7。老顶进入周期运动阶段后，矿压显现更趋缓和，除煤壁片帮外，端面顶板破碎和支架安全阀开启的现象均未发生。老顶的周期来压仅对煤壁前方4m以内有较明显的影响，其它各点的总体趋势几乎没有什么变化，表明老顶的超前影响范围较小。结合有关矿压显现，可以确定老顶第一、第二次周期来压步距分别为15.9m、17m，平均为16.45m。5 结论（1）经过对4306工作面的观测，得出顶煤的初垮步距为6m，直接顶初垮步距12m，老顶初次来压步距33.3m，周期来压步距平均16.5m。（2）老顶的初次来压经历的时间较长，在工作面中老顶断裂的步距也不一致，一般中部较小，两端

11、头较大。（3）老顶周期来压时，矿压显现比较缓和，直接顶一般随采随冒，很少有悬顶现象发生。（4）由于煤层埋藏较深，在上覆岩层重力的作用下，顶煤的破碎效果很好，不用采取其他辅助措施就可较为顺利的放出。参考文献1 钱鸣高，许家林缪协兴.煤矿绿色开采技术J 中国矿业大学学报，2003，32（4）：343-3472 王卫军，李学华，贺德安巷道放顶煤顶煤破碎机理研究J 矿山压力与顶板管理，2000，17（4）：66-673 钱鸣高，石平五矿山压力与岩层控制M 徐州：中国矿业大学出版社，20034 富强. 长壁综放开采松散顶煤落放规律研究D 中国矿业大学（北京），博士学位论文，19995 李鸿昌，刘长友 综采工作面支护质量检测J 煤矿现代化，1993（1）：24-266 靳钟铭. 放顶煤开采理论与技术M 北京：煤炭工业出版社，20017 刘长友，钱鸣高，曹胜根，等. 采场支架阻力与顶板下沉量关系的研究J 矿山压力与顶板管理，1997，14（2）：20-23Study on Roof Movement Regulation of the Fully Mechanized Top-Coal Caving Face in Deep Mine Xing Yantuan(Xuchang Coal Min