2018薄煤层综采覆岩移动规律与支架的相互作用关系研究
摘 要：本文以章村矿423109工作面开采实践为背景，通过长期观察、测量工作面开采时的各项基本数据，结合覆岩运动理论，分析了423109薄煤层综采工作面覆岩运动规律及其与支架的相互作用关系，进而对2#煤工作面开采及综采支架的选型设计进行指导。关键词：薄煤层;顶板来压步距;液压支架;控顶距
我国薄煤层储量为61.5亿t(煤层厚度小于1.3m)，占全国煤矿煤炭总储量的20.42%，而采出量却不足总量的10%。与厚煤层开采相比，薄煤层赋存条件差，开采条件复杂，机械化开采难度大，产量低;大量薄煤层被废弃或因技术条件而搁置开采，薄、厚煤开采比例失调问题十分突出。目前，随着经济的快速发展，合理利用和开采煤炭资源，提高资源利用率将日趋重要。因此，提高并加强薄煤层机械化开采技术和薄煤层开采矿压显现规律研究将为地下复杂、难采煤层开采提供有利的技术保证。
本文以章村煤矿2#薄煤层开采为依据，通过煤层开采覆岩运动理论分析及大量现场数据实测，重点分析了薄煤层开采上覆岩层的移动规律及其与综采支架间的相互作用，并依据支架和围岩相互作用关系原理，分析了薄煤层开采过程矿压显现特征，为章村矿薄煤综采提供依据。
一、井田概况
章村矿位于河北省沙河市与武安市交界地带，由章村矿三井井田和章村矿四井井田两部分组成。章村矿四井采用斜立混合式多水平开拓方式，目前正开采-200水平，该水平东翼中厚煤层已基本开采完毕，正在进行采区下山煤柱回收工作，西翼布置有主要生产采区―4224采区。该采区主采2#煤层，该煤层为薄煤层。
2#煤层为主要开采煤层，上距山西组顶界约40～50m。煤厚0.85～1.55m，平均1.2m。2#煤直接顶为炭质泥岩、细砂岩，厚度约0.5m，基本顶为泥质粉砂岩，厚度约5m;底板多为砂质泥岩。
二、工作面开采矿压观测及岩层运动规律分析
本文以章村矿四井4224采区423109工作面为研究对象，通过对开采工程中顶板来压情况的观察和测量，以及对采动影响下的工作面运输巷和采区皮带下山的变形观测，积累了大量的实测数据，进而分析采动影响下覆岩运动与综采支架的相互作用关系。
(一)矿压显现特征
1、顶板初次垮落：工作面开切眼初掘宽度4m，工作面安装前扩为6.0m，切眼采用锚网加锚索支护。随工作面推进，顶板锚索去除索具，直接顶岩层离层向上发展，直接顶下位岩层开始逐渐下沉。工作面向前推进5.2m后，直接顶初次垮落。
2、顶板初次来压：顶板自开切眼初次垮落后，随着推进和顶板悬露面积增大，每4m左右直接顶下位岩层垮落就发展一次，破断角70左右，破断多在移架时发生。工作面推进到12m时，直接顶上位岩层出现裂缝，并逐渐发育。工作面推进17m时，支架明显受力，预示着将有大范围的岩层冒落。当工作面继续推进到21.5m时，老顶岩梁破断失稳，初次来压发生。工作面顶板初次来压时超前支撑压力峰值系数达1.8，位于工作面前方8―12m处。
3、周期来压：初次来压过后，顶板随工作面推进出现周期性破断。破断下沉错位的顶板排列整齐，有时呈咬合状。破断裂缝宽度较大，一般为0.5―0.8m。周期来压步距一般为4―8m，周期性来压时超前支承压力峰值系数一般在1.6左右，位于煤壁前方约8～10m处。顶板周期来压时有动压现象，但不剧烈。
4、充分采动距离：周期来压刚过后顶板岩层运动属于非充分采动阶段，实践显示在经过4―6个周期来压步距时(45―65m)，在煤层走向方向上达到充分采动距离，其特征是岩层充分垮落，具有明显的三带特征。充分采动以后周期来压步距明显偏小，但平均来压强度略高于非充分采动时的来压强度。
(二)覆岩移动特征
1、初次来压阶段：开切眼形成后，由于有锚网、锚索支护，工作面顶板没有发生冒落现象。但离层仪显示2#煤之上3m以内的岩层离层有离层现象，其它上位岩层下沉量很小。随着工作面推进，顶板悬露面积增大，裂隙不断发育，顶板下沉速度略有增加，但下沉量不大，实际情况约为10cm。工作面继续推进，覆岩垮落高度并未发展，仅下位岩层冒落面积增大。当工作面推进到21.5m时，顶板发生初次来压，顶板岩层垮落高度达到5m，离层高度达到11.5m。距煤层11.50m高处的岩层最大下沉量为0.2m。
2、正常开采阶段(周期来压阶段)：顶板初次来压过后，随着工作面的推进顶板岩层就按一定的步距呈周期性垮落。周期来压时支架上部直接顶悬顶长度较短，大多数情况下直接顶沿着顶梁后端断裂，基本上无悬臂。
3、三带高度：由于采高低和软岩的原因，开采时冒落带高度明显，裂隙带高度和弯曲下沉带高度的界限并不明显。冒落带的高度约2m，明显裂隙带高度约为12m。
(三)支架和围岩相互作用关系分析
1、支架受力状态分析
回采工作面的围岩即直接顶、老顶以及直接底岩层，这三者对回采工作面支架有着直接影响。围岩作用于支架的受力状态如下图所示。多数情况直接顶沿煤壁断裂，断裂角约70～75。架后基本上沿着顶梁与掩护梁铰接点断裂。回采工作面周期来压时偶尔出现过工作面顶板沿煤壁产生台阶下沉，所以来压时应加强顶板管理，必要时增加临时支护，防止台阶下沉量过大。
工作面初次来压时的情况与周期来压时存在较大区别，架后悬顶面积很大，此时支架受力的合理作用点可能后移，超出支架设计允许范围，支架内部产生较大附加力，其表现形式是平衡油缸可能拉坏。所以工作面初次来压之前应备好单体液压支柱，来压时临时加强支护，防止拉坏平衡油缸和工作面顶板沿煤壁产生台阶下沉。
2、控顶距分析
通过实践，分析两种控顶距条件下，采场围岩与支架的相互作用。实践显示，控顶距为1.5m时，在工作面周期来压时容易发生冒顶，冒高0.3―0.5m左右。如果移架不能及时跟上，控顶距较大时，容易发生冒顶，也容易产生支架低头。而在控顶距小于1.0m时，架前冒落显现明显减少。
三、结论
根据章村矿423109工作面开采中取得的大量实测数据分析结果得出以下结论：
(一)初次来压步距为21m左右，周期来压明显，来压步距为4～8m，伴有动压现象。来压时超前支撑压力峰值系数1.6～1.8，位于工作面前方8～12m。
(二)控顶距不宜大于1.0m，控顶距过大容易造成回采工作面架前冒顶，也可能造成支架低头，容易拉坏平衡油缸。
(三)工作面初次来压时，架后悬顶面积很大，此时的支架受力的合理作用点可能后移，超出支架设计允许范围，支架内部产生较大附加力。
参考文献：
钱鸣高，刘听成矿山压力及其控制北京：煤炭出版社，1994
宋振骐，蒋金泉.煤矿岩层控制的研究重点与方向，岩石力学与工程学报，1996(2)：128-134
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