三軟煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實(shí)測(cè)研究

孫平勇，李洪彪

（中國(guó)平煤神馬能源化工集團(tuán) 梨園礦，河南 汝州 467500）

寧莊井是中平能化集團(tuán)梨園礦下屬的生產(chǎn)礦井，于2010年9月正式投產(chǎn)，主要生產(chǎn)系統(tǒng)按年產(chǎn)80萬(wàn)噸裝備。該井達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化礦井的標(biāo)準(zhǔn)，并于2012年通過省五優(yōu)礦井的驗(yàn)收?，F(xiàn)寧莊井所采煤層為山西組二1 煤層，井田范圍內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層厚度變化較大，煤質(zhì)松軟，極易破碎。煤層頂板為節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高的灰黑色炭質(zhì)泥巖、灰黑色泥巖和深灰色砂質(zhì)泥巖；底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖；煤層強(qiáng)度較低，所采煤層整體屬于“三軟”煤層。在工作面回采期間，采場(chǎng)端頭冒漏嚴(yán)重、煤壁極易片幫，給工作面的回采工作帶來(lái)了一系列問題。以該井21090 工作面為例，研究三軟煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，以期為工作面安全回采提供指導(dǎo)。

1 工作面概況

21090工作面位于寧莊井東一下山采區(qū)首采工作面，工作面東部為村莊保護(hù)煤柱、北部為實(shí)體煤，南鄰21070工作面、西部為該采區(qū)3條下山。該工作面范圍內(nèi)煤層厚2.5～5.7m，均厚為3.5m；煤層傾角為17°～26°，平均為23°；設(shè)計(jì)可采走向長(zhǎng)960m，采長(zhǎng)122m，偽斜長(zhǎng)8～11m。該工作面?zhèn)雾敒楹谏勰钐抠|(zhì)泥巖；直接頂為含少量云母和砂質(zhì)的淺灰色～灰黑色泥巖；基本頂為夾有薄層泥巖的黑色砂質(zhì)泥巖；直接底為深灰色砂質(zhì)泥巖；基本底為含黑色礦物及白云母碎片的灰色細(xì)砂巖。工作面采用“一進(jìn)一回”通風(fēng)方式，采場(chǎng)裝備ZY-4000／17／37 型液壓支架81臺(tái)，該型支架額定工作阻力為4000kN，初撐力為3090 kN。

2 礦壓觀測(cè)及結(jié)果分析

2.1 觀測(cè)方案設(shè)計(jì)

采場(chǎng)液壓支架載荷變化能夠直接反應(yīng)頂板來(lái)壓步距、來(lái)壓強(qiáng)度、動(dòng)載系數(shù)等礦壓顯現(xiàn)特征和支架適應(yīng)性〔1-3〕。因此，可通過觀測(cè)支架載荷來(lái)掌握工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律?，F(xiàn)將21090工作面分為上部、中部和下部，并分別布置1個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站布置2條或3條測(cè)線，每條測(cè)線對(duì)應(yīng)1臺(tái)液壓支架，在該液壓支架上安裝1臺(tái)KBJ-60III壓力記錄儀，記錄儀采集的數(shù)據(jù)可通過數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行采集，工作面采場(chǎng)礦壓觀測(cè)站／線布置見圖1。由圖1可知，礦壓觀測(cè)線分別對(duì)應(yīng)10＃、20＃、45＃、60＃、75＃、100＃和110＃架。觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)以初次來(lái)壓后，五次周期來(lái)壓為準(zhǔn)。為了更好地掌握工作面礦壓顯現(xiàn)特征，在正常回采過程中，進(jìn)行煤壁片幫和活柱下縮量觀測(cè)。

圖1 21090采場(chǎng)礦壓測(cè)站／測(cè)線布置

2.2 來(lái)壓規(guī)律分析

2.2.1 頂板來(lái)壓分析

（1）初次來(lái)壓特征：工作面正式回采后，支架載荷隨工作面推進(jìn)逐漸增大，直接頂隨采隨冒，在機(jī)頭和機(jī)尾部分始終存在2～3m 懸頂；當(dāng)工作面推至16.5m 時(shí)，基本頂開始垮落，推至19.8 m 時(shí)，基本頂全部垮落，可知初次來(lái)壓步距為16m。在垮落前支架平均工作阻力為2665kN，垮落時(shí)平均工作阻力為3842kN，動(dòng)載系數(shù)為1.44。初次來(lái)壓具體特征為：頂板垮落時(shí)有明顯的頂板折斷和冒落聲響，支架載荷明顯增大；煤壁片幫加劇，部分區(qū)域有大范圍連續(xù)性片幫現(xiàn)象；支架端頭處出現(xiàn)不同程度的冒漏，工作面中部更為明顯。

（2）周期來(lái)壓特征：將工作面支架所安裝的KBJ-60III壓力記錄儀收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合工作面推進(jìn)距離、煤壁片幫情況和頂板冒漏、破碎情況可得21090工作面周期來(lái)壓特征（見表1）。由表1可知，周期來(lái)壓步距為10.8～13.4m，平均為12.12m；來(lái)壓強(qiáng)度為38.9～40.4 MPa，平均為39.28 MPa；動(dòng)載系數(shù)分布在1.66～1.71，平均為1.674；反映出了頂板來(lái)壓較均勻、緩和，且強(qiáng)度較低，該型號(hào)液壓支架能夠滿足頂板支護(hù)要求。

表1 21090工作面周期來(lái)壓特征分析

2.2.2 支架載荷分析

在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)期間，來(lái)壓前液壓支架載荷呈現(xiàn)出前柱大于后柱，工作面中部稍大于兩端的現(xiàn)象，來(lái)壓時(shí)這種現(xiàn)象不明顯，將KBJ-60III壓力記錄儀收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（見表2）。由表2可知：觀測(cè)期間，整個(gè)工作面最大工作阻力為4357kN，為額定工作阻力（4000kN）的108.9%；平均工作阻力為2396kN，為額定工作阻力的59.9%；平均初撐力為1528kN，為額定初撐力（3090kN）的49.4%；超出額定工作阻力現(xiàn)象較少，僅占統(tǒng)計(jì)次數(shù)的0.01%。由觀可知，該工作面液壓支架適應(yīng)性較好，能夠滿足支護(hù)要求，最大支護(hù)阻力僅超過額定工作阻力357kN，可通過卸壓避免支架受損。此外，工作面支架初撐力較低是采場(chǎng)支護(hù)的顯著問題，對(duì)于破碎頂板而言不利于對(duì)頂板形成積極主動(dòng)支護(hù)，易發(fā)生頂板離層、冒漏。

表2 21090工作面采場(chǎng)液壓支架受力情況

2.2.3 宏觀觀測(cè)

開采實(shí)踐和理論研究認(rèn)為，三軟煤層工作面煤壁極易出現(xiàn)片幫，且片幫程度隨采高增加有加劇趨勢(shì)〔4-5〕。21090綜采工作面平均采高為3.5m，煤體強(qiáng)度較低，在回采過程中經(jīng)常出現(xiàn)端頭冒頂和大面積片幫現(xiàn)象，降低了開機(jī)率和回采率，給工作面的安全生產(chǎn)帶來(lái)一系列嚴(yán)重隱患。通過近兩個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)得出：在開采初期，煤壁片幫現(xiàn)象較少，且片幫程度較輕，呈現(xiàn)出斷續(xù)性小范圍片幫；隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，煤壁片幫程度加劇，尤其是機(jī)頭、機(jī)尾等支護(hù)弱區(qū)更容易出現(xiàn)片幫和端頭頂板冒漏；在來(lái)壓期間，煤壁片幫明顯加劇，且往往伴隨著端頭頂板掉渣現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在初次來(lái)壓和周期來(lái)壓期間，煤壁片幫率分別為65.2%和55.4%，片幫深度分別可達(dá)1.2m 和1.0m，片幫長(zhǎng)度嚴(yán)重地帶可延續(xù)25～30m。

運(yùn)用標(biāo)點(diǎn)法對(duì)工作面采場(chǎng)支架活柱下縮量進(jìn)行記錄，經(jīng)分析后可知，整個(gè)工作面來(lái)壓前活柱下縮量較小且變化較緩和，來(lái)壓時(shí)活柱下縮量明顯加大，且活柱下縮呈現(xiàn)出先快后慢的規(guī)律，與液壓支架載荷變化相符，能夠正確地反應(yīng)采場(chǎng)來(lái)壓特征和規(guī)律，距統(tǒng)計(jì)分析可得：所測(cè)支架活柱下縮量分布在1～13mm 范圍內(nèi)，平均為4.5mm，其中下縮量小于5mm 的支架占所測(cè)支架總數(shù)的72.3%，說明該型號(hào)支架適應(yīng)性較好，能夠?qū)Σ蓤?chǎng)形成有效支護(hù)。

3 觀測(cè)結(jié)果

1）由21090工作面礦壓觀測(cè)結(jié)果可得，工作面初次來(lái)壓步距為16m，平均周期來(lái)壓步距為12.12m。

2）在回采期間，工作面平均工作阻力較小，僅為2396 kN，為額定工作阻力的59.9%；支架初撐力普遍較低，平均初撐力為1528kN，為額定初撐力的49.4%，不利于對(duì)頂板形成有效支護(hù)；動(dòng)載系數(shù)較小，平均為1.674；活柱下縮量較小，絕大部分小于5mm，平均為4.5mm；支架整體適應(yīng)性良好，能夠滿足采場(chǎng)支護(hù)要求。

3）在初次來(lái)壓和周期來(lái)壓期間，工作面煤壁片幫有加劇現(xiàn)象，出現(xiàn)大范圍連續(xù)性片幫現(xiàn)象；支護(hù)阻力超出額定工作阻力較小，僅占統(tǒng)計(jì)數(shù)的0.01%。

4 措施

1）應(yīng)加強(qiáng)乳化液供液系統(tǒng)檢修力度，保證供液暢通和液壓正常，在回采過程中，適當(dāng)提高支架初撐力。

2）充分利用掌握的礦壓顯現(xiàn)特征和規(guī)律，在來(lái)壓前對(duì)煤壁和頂板進(jìn)行超前加固，對(duì)煤壁片幫和頂板破碎嚴(yán)重地帶實(shí)施鋪網(wǎng)和化學(xué)注漿加固，提高煤壁和頂板整體性和穩(wěn)定性，防止片幫、冒頂事故的發(fā)生。

3）在實(shí)施拉架時(shí)堅(jiān)持“少降、快升”的擦頂拉架方式，及時(shí)打開閉幫板；在煤壁片幫和頂板不穩(wěn)定區(qū)域可施行超前拉架，確保安全回采。

4）適當(dāng)提高回采速度，減少煤壁暴露時(shí)間，縮短超前支承壓力作用時(shí)間。

通過這些措施，可一定程度地對(duì)煤壁片幫和頂板冒漏進(jìn)行控制，有利于工作面回采作業(yè)安全進(jìn)行。

〔1〕于長(zhǎng)里，李洪彪，蔡秀凡.半島大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究〔J〕.中州煤炭，2012，（4）：3-4.

〔2〕任天存，魏明利，陳興隆.寧莊井三軟煤層綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究〔J〕.中州煤炭，2011，（5）：5-7.

〔3〕王廣帥，蔡秀凡，李洪彪.超長(zhǎng)綜放工作面液壓支架適應(yīng)性分析〔J〕.山東煤炭科技，2013，（1）：116-118.

〔4〕劉 超，曹品偉.三軟煤層綜放工作面片幫漏頂原因分析及對(duì)策〔J〕.中州煤炭，2010，（8）：52-54.

〔5〕宮培發(fā)，孔德山.三軟煤層綜采工作面煤壁加固技 術(shù)〔J〕.煤炭技術(shù)，2003，（2）：41-42.