綜放工作面礦壓規(guī)律實(shí)測研究

李永雷，張占濤

(1.山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限公司趙莊二號井，山西晉城048006;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

煤炭是我國的主要能源，其中厚煤層儲量占到40%，因此隨著國家科技、經(jīng)濟(jì)水平的迅速發(fā)展，煤炭資源需求量的逐步增加，厚煤層煤炭開采的高效和安全問題成為困擾我國煤炭企業(yè)的難題。傳統(tǒng)的厚煤層分層開采雖取得了較好的應(yīng)用效果，但是有成本高、效率低、開采期長，還易造成煤層自然發(fā)火等問題。

近年來發(fā)展起來的大采高整層開采在一定的條件下實(shí)現(xiàn)了煤層的一次采全高，但是適用要求較高，開采強(qiáng)度大，礦壓顯現(xiàn)劇烈，采場及巷道管理難度加大，大大提高了安全高效生產(chǎn)的難度和要求。放頂煤采煤法是目前我國厚煤層開采常用的采煤方法，在提高回采工效，降低開采成本方面具有明顯的優(yōu)勢［1］。

晉煤集團(tuán)趙莊二號井作為晉煤集團(tuán)重點(diǎn)扶持礦井一直致力于采煤方法、工藝的研究和改善，該礦1304工作面就采用綜合放頂煤采煤法進(jìn)行回采，但是對于放頂煤工作面礦壓規(guī)律的認(rèn)識并不充分，而礦壓規(guī)律是采區(qū) (盤區(qū))設(shè)計(jì)、巷道布置、設(shè)備選型、支護(hù)設(shè)計(jì)、頂板控制、編制采掘作業(yè)規(guī)程等的重要依據(jù)［2］，因而在綜放工作面生產(chǎn)過程中對工作面支架初撐力、工作阻力、頂板垮落情況、支承壓力分布、回采巷道變形等進(jìn)行觀測分析，對工作面礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行總結(jié)，分析研究其礦壓規(guī)律無論是對于指導(dǎo)本工作面的安全生產(chǎn)，還是為礦井生產(chǎn)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，抑或?yàn)槠渌ぷ髅嫔a(chǎn)提供依據(jù)都顯得尤為重要。

1 工程概況

山西省晉煤集團(tuán)趙莊二號井1304工作面走向長538.6m(切幫 －停采線);工作面傾斜長145.8m(幫—幫);采用放頂煤一次采全高，開采煤層為3號煤層，煤層平均厚度5.36m;機(jī)采采高2.8m，放頂煤厚度為2.56m;采用多循環(huán)作業(yè)方式，即班進(jìn)3循環(huán)、日進(jìn)6循環(huán)，循環(huán)進(jìn)度為0.6m，放頂煤步距為0.6m。

工作面上覆巖層厚度為411.8～499.8m，煤層傾角－3～－10°，平均－6°，煤層為黑色塊狀、平坦斷口、亮煤為主、半光亮型，有玻璃光澤、性脆、低硫、發(fā)熱量高的貧煤;直接頂為平均厚度為1.8m的灰黑色泥巖層，豐富植物化石，均勻?qū)永?，水平紋理;基本頂為平均厚度1.6m的灰黑色粉砂巖，均勻?qū)永?，可見豐富的植物化石;直接底為平均0.60m的灰黑色泥巖層，薄層狀，具植物根化石;老底為平均厚度2.0m的灰黑色粉砂巖層，中厚層狀，均勻?qū)永怼?/p>

工作面采用三巷布置，其中1304膠帶巷與工作面切眼相連，供進(jìn)風(fēng)、運(yùn)煤、供電、供液、供水用;1304內(nèi)回風(fēng)巷與工作面切眼相連，供運(yùn)料、回風(fēng)用;1304外回風(fēng)巷通過聯(lián)絡(luò)巷與工作面切眼相連，供回風(fēng)、排水用;工作面兩巷及切眼均沿煤層頂板掘進(jìn)。工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 1304工作面巷道布置

2 觀測方案及測點(diǎn)布置

為了能夠充分地掌握1304綜放工作面的礦壓數(shù)據(jù)，更精確地分析其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為采場礦壓維護(hù)、回采巷道支護(hù)等提供更為可靠的理論依據(jù)［3］，在該工作面安裝山東尤洛卡生產(chǎn)的KJ216在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對支架載荷的全自動連續(xù)記錄，并實(shí)時顯示變化曲線以進(jìn)行分析。

整個工作面總共采用10個壓力計(jì)，布設(shè)10條觀測線，分為工作面上部 (6號、16號支架)、中部 (26號、36號、46號、56號、66號、76號支架)和下部 (86號、96號支架)3個測區(qū)，實(shí)時監(jiān)測生產(chǎn)過程中工作面支架工作阻力的變化情況，觀測人員每天下井收集一次數(shù)據(jù)，上井后傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。測點(diǎn)布設(shè)示意圖如圖2所示。

圖2 工作面支架阻力測點(diǎn)布置

在觀測分析工作面支架壓力值的同時，采用KBY－60d型礦用單體數(shù)字壓力循環(huán)監(jiān)測儀對工作面回采過程中超前單體柱載荷進(jìn)行測量，以分析工作面走向超前支承壓力的分布規(guī)律，并采用ZYJ－25型鉆孔應(yīng)力計(jì)布置在工作面前方120m處觀測煤體應(yīng)力值以分析工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ植家?guī)律，共安裝8臺鉆孔應(yīng)力計(jì)，具體的鉆孔應(yīng)力計(jì)測站布置與工作面煤壁相對位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 鉆孔應(yīng)力計(jì)布置

3 觀測結(jié)果分析

3.1 工作面支架初撐力觀測分析

自工作面開始回采即對工作面礦壓數(shù)據(jù)及工作面情況進(jìn)行觀測，通過工作面在線監(jiān)測系統(tǒng)自動記錄工作面支架壓力值，并將大量的原始數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行篩選、分析，主要對工作面支架的初撐力分布情況進(jìn)行分析，其中工作面支架初撐力頻度分布如圖4所示，數(shù)據(jù)如表1所示 (因56號支架監(jiān)測數(shù)據(jù)異常故未考慮)。

圖4 工作面支架初撐力頻度分布

表1 支架初撐力統(tǒng)計(jì)

從圖4可以看出，整面支架初撐力在500kN以下的占到22%;500～1000kN的占到32%; 1000～1500kN的占到17%，1500～2000kN的占到16%，2000～2500kN的占到7%，2500～3000kN的占到4%，3000～3500kN的占到2%，統(tǒng)計(jì)表明工作面支架初撐力在2000kN以下的占到87%，整面監(jiān)測支架初撐力合格率較低，工作面中部支架初撐力較大，上部其次，下部最小，整面支架平均初撐力1122.27kN，占額定初撐力3958kN的28%。

造成工作面支架初撐力普遍偏低的主要原因是供液時間不足，因此在支架接頂充分后必須保證有足夠的供液時間以達(dá)到初撐力。此外，還存在移架過程中支架一次移不到位、支架存在串漏液、安全閥泄漏等原因，因此，更應(yīng)加強(qiáng)支架的移架管理、檢修等工作。

3.2 工作面支架工作阻力觀測分析

在分析工作面初撐力分布特征的同時，對工作面支架的工作阻力分布特征進(jìn)行分析，工作面支架工作阻力頻度分布如圖5所示，數(shù)據(jù)如表2所示。

從圖5可以看出，工作面支架工作阻力在500kN以下的占到 11%，500～1000kN的占到16%，1000～1500 kN的占到20%，1500～ 2000kN的占到20%，2000～2500kN的占到12%，2500～3000kN的占到9%，3000～3500kN的占到6%，3500～4000kN的占到4%，4000～4500kN的占到2%。統(tǒng)計(jì)表明工作面支架工作阻力在1000～3000kN的占到88%。此外，正?；夭善陂g監(jiān)測支架最大值未超過支架額定工作阻力且與相似地質(zhì)條件下大采高和分層綜采工作面相比可知，綜放面支架阻力整體上較大采高工作面和分層綜采工作面支架工作阻力低，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度較小，易于管理。

圖5 工作面支架工作阻力頻度分布

表2 支架工作阻力統(tǒng)計(jì)

由于支架的初撐力過低，造成了支架工作阻力偏低，導(dǎo)致了工作面煤壁片幫范圍較大、頂煤架前破碎冒落嚴(yán)重等問題的出現(xiàn)，因此改善此問題的最根本途徑還是提高支架的初撐力。

觀測還發(fā)現(xiàn)，初采階段工作面監(jiān)測支架前后柱受力基本均衡，前柱略大于后柱。然而工作面中部支架前柱載荷明顯小于后柱，出現(xiàn)這種反常現(xiàn)象的主要原因是該范圍內(nèi)頂煤架前破碎并冒落，支架受力點(diǎn)后移，支架前端處于懸空狀態(tài)，而造成頂煤架前破碎冒落的原因還是工作面支架初撐力過低導(dǎo)致的支架工作阻力偏低。因此，解決問題的根本還是在于提高工作面支架初撐力。

3.3 工作面來壓步距與強(qiáng)度

在工作面的回采過程中，工作面頂板的垮落特征是礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的重要組成部分，準(zhǔn)確地掌握工作面頂板的垮落特征不僅能夠?qū)ΡＷC工作面的安全高效生產(chǎn)起到一定的作用，而且能夠?yàn)橄嗨茥l件下工作面的生產(chǎn)提供一定的經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)［4］。因此，在觀測支架初撐力和工作阻力的同時，對工作面頂板垮落情況進(jìn)行觀測分析。

觀測結(jié)果表明:工作面直接頂初次垮落步距為15.1m，持續(xù)時間為3d，直接頂初次垮落期間礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度不大，工作面煤壁比較平直，局部煤壁有少量片幫，片幫深度一般在100～300mm，對生產(chǎn)影響不大;工作面基本頂初次來壓步距為47.6m，來壓影響時間約3d，來壓動載系數(shù)在1.26～1.91之間，平均1.57，來壓明顯但不強(qiáng)烈;工作面基本頂周期來壓步距平均為16.42m，其中工作面兩端頭來壓步距基本一致，中部稍小，工作面上部周期來壓步距17.2m，中部14.88m，下部17.18m。工作面基本頂周期來壓動載系數(shù)平均1.49，其中工作面上部周期來壓動載系數(shù)平均1.42，中部1.58，下部1.47，周期來壓期間工作面片幫加劇，架前頂煤冒落，尤以工作面中部最為嚴(yán)重，因此來壓期間需要加強(qiáng)工作面頂板管理。

3.4 支承壓力分布規(guī)律

通過對回采過程中工作面超前單體柱載荷及鉆孔應(yīng)力計(jì)值進(jìn)行觀測、處理、分析，并結(jié)合回采巷道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對工作面回采巷道超前支護(hù)單體柱壓力測試，發(fā)現(xiàn)在工作面前方12m處單體柱壓力最大，進(jìn)風(fēng)巷、內(nèi)回風(fēng)巷最大值分別為17.3MPa和16.5MPa;由于受到頂板周期來壓和已采工作面殘余應(yīng)力集中兩者相互疊加作用，基本頂在距煤壁約9m處斷裂形成“內(nèi)外應(yīng)力場”，隨著工作面的推進(jìn)，各自的應(yīng)力高峰以斷裂線為界向相反的方向發(fā)展，即呈“背向”轉(zhuǎn)移變化［5］;工作面前方30m以外，超前單體柱壓力表現(xiàn)穩(wěn)定，在初撐力的基礎(chǔ)上壓力變化不大，可以判定工作面超前支護(hù)范圍應(yīng)在工作面前方30m。

通過安裝鉆孔應(yīng)力計(jì)進(jìn)行觀測，分析可知:工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ挠绊懛秶鸀?5m左右;工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ姆逯滴挥诠ぷ髅鎸?shí)體煤壁以內(nèi)15m位置;工作面?zhèn)认蛑С袎毫邢禂?shù)為1.12～1.69，平均1.38。

綜上可知，工作面超前支承壓力峰值位置約為距工作面煤壁12m處，影響范圍約為30m;工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ挠绊懛秶s為25m。為了能夠保證工作面開采后大巷以及留巷保持在容許的變形范圍內(nèi)而不至于發(fā)生安全事故，常采用留設(shè)保護(hù)煤柱的方法，因此，在此種特定條件下，留設(shè)的大巷保護(hù)煤柱合理寬度應(yīng)為30m左右;留設(shè)的留巷保護(hù)煤柱合理寬度應(yīng)為25m左右。

3.5 工作面頂板管理的主要建議

(1)提高工作面綜放支架初撐力 由以上分析可知，工作面支架初撐力偏低是導(dǎo)致支架工作阻力偏低、頂煤架前破碎冒落等現(xiàn)象的主要原因，因此，在頂板的管理工作中最亟待解決的問題就是提高支架的初撐力，進(jìn)而改善支架的工作狀況，從而保證工作面的安全生產(chǎn)。

(2)回采巷道盡量采用沿底布置 1304綜放工作面回采巷道布置主要采用沿頂布置，需要留底三角煤，造成了煤炭資源的大量損失，且出現(xiàn)了溜子坡度增大、支架穩(wěn)定性不高等一系列問題，因此建議借鑒國內(nèi)諸多綜放工作面成功經(jīng)驗(yàn)，沿底布置回采巷道。

(3)做好防片幫措施 觀測還發(fā)現(xiàn)，在綜放工作面生產(chǎn)過程中，由于采煤工藝的影響，工作面片幫較為嚴(yán)重，建議通過提高支架初撐力、加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)等手段做好防片幫工作。

4 結(jié)論

(1)工作面支架初撐力普遍偏低，整面監(jiān)測支架初撐力合格率較低，造成此現(xiàn)象的原因是供液時間不足、移架過程中支架一次移不到位、支架存在串漏液、安全閥泄漏等問題。

(2)工作面回采期間，支架工作阻力也普遍偏低，監(jiān)測支架最大值未超過支架額定工作阻力，造成此現(xiàn)象的原因主要是支架的初撐力過低。

(3)工作面直接頂初次垮落步距為15.1m，工作面基本頂初次垮落步距為47.6m，基本頂周期垮落步距平均為16.42m，工作面傾向方向來壓不同步性較為明顯，整體而言，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度不大。

(4)根據(jù)觀測總結(jié)工作面支承壓力分布特征，建議留設(shè)的大巷保護(hù)煤柱合理寬度為30m左右，留巷保護(hù)煤柱合理寬度為25m左右。

(5)通過對綜放工作面礦壓規(guī)律的觀測分析，對綜放工作面頂板管理主要提出了3點(diǎn)建議:提高工作面綜放支架初撐力;回采巷道盡量采用沿底布置;做好防片幫措施。

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