含硬煤夾層厚煤層綜放面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

邢桂新，項 國，徐騰飛，孫英天，顏丙雙

(中國礦業(yè)大學(xué))

S204綜放工作面位于秦源煤礦+520 m水平，該面地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層呈單斜構(gòu)造。該面煤層厚度5.0～8.98 m，平均7.8 m，煤層傾角平均為15°，工作面傾斜長175 m，推進長度1 567 m；煤質(zhì)較軟，硬度系數(shù)為0.8。在頂煤中含有一定厚度的硬煤夾層，硬度系數(shù)為1.2，厚度為0.5～1.5 m。直接頂為灰色、深灰色砂質(zhì)泥巖，平均厚度為4.13 m；老頂為灰白色含礫粗砂巖，成分主要為石英，高嶺土泥質(zhì)膠結(jié)、較堅硬，平均厚度為3.5 m。該工作面采用綜合機械化走向長壁綜采放頂煤采煤方法，割煤截深0.6 m，割煤高度2.5 m，放煤高度5.3 m，采放比1∶2.12。工作面采用ZF5500 /17 /28HQ型放頂煤支架，初撐力4 321 kN，額定工作阻力5 446 kN。

1 工作面來壓特征及支架工作阻力分析

1.1 觀測方案

工作面礦壓觀測設(shè)備采用KBJ-60Ⅲ-1綜采支架工作阻力連續(xù)記錄儀。將工作面分為上、中、下3段進行監(jiān)測，共設(shè)3個測站，上部測站安裝3個壓力傳感器，中部測站安裝4個壓力傳感器，下部測站安裝3個壓力傳感器。其中110#、99#、88#支架組成上部測站，77#、66#、55#、44#支架組成中部測站，33#、22#、11#支架組成下部測站。測區(qū)布置示意圖見圖1。

1.2 工作面周期來壓

工作面的周期來壓步距平均為16.1 m，在綜放開采不含硬煤夾層段時，周期來壓步距平均為12.3 m?？梢娪捎谟裁簥A層的影響，工作面的平均周期來壓步距增大。動壓系數(shù)平均值為1.40。來壓步距及強度見表1。3個測站支架工作阻力隨工作面推進的變化曲線見圖2，來壓時平均工作阻力為3 907.5 kN/架，是平時支架載荷2 790 kN/架的1.4倍。平均動壓系數(shù)略高于全國放頂煤工作面的平均動壓系數(shù)(1.37)，來壓較明顯。

圖1 測區(qū)布置示意圖

表1 來壓步距及強度

圖2 支架工作阻力隨工作面推進的變化示意圖

從觀測的數(shù)據(jù)分析可知，S204工作面在推進過程中，由于受到煤厚變化、地質(zhì)構(gòu)造及推進速度等各種復(fù)雜條件的影響，導(dǎo)致周期來壓表現(xiàn)出的主要特征為：工作面上、中、下各個部位周期來壓時間不一致，來壓步距也不相同， 即使在同一測區(qū)， 每次周期來壓步距也有差異。周期來壓步距在一定程度上受頂煤放出率的影響，放煤不充分時，因頂板條件差異和頂煤放出不等，造成頂板垮落不均勻，形成分段來壓，差異比較大。

1.3 支架工作阻力測定

本次觀測得到了大量的數(shù)據(jù)，實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表2，表3。

表2 支架初撐力實測統(tǒng)計 kN/架

表3 支架循環(huán)末阻力實測統(tǒng)計 kN/架

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，可得出以下結(jié)論：

1) 沿工作面全長支架載荷的分布特點為：工作面兩端壓力小于中部壓力，上端壓力小于下端壓力。在實際生產(chǎn)過程中也可以發(fā)現(xiàn)，煤壁片幫等主要集中在工作面中部及下部區(qū)域，表明該區(qū)域支架載荷較大，礦壓顯現(xiàn)比較顯著。

2) 實測工作面支架初撐力平均值為2 343 kN/架，為額定初撐力的54.2%，初撐力利用率偏低，尤其工作面上部支架的初撐力平均值為1 951 kN/架，只相當于額定初撐力的45.2% ，可見上部支架的初撐力偏低。支架初撐力是支架作用于頂板的主動力，其大小對于頂板的穩(wěn)定性控制及頂煤的放落回收具有很大影響。一般在軟煤條件下，支架應(yīng)具有高初撐力、低阻力，使額定工作阻力與初撐力的差值減小，這樣有利于對端面頂煤的穩(wěn)定性控制。S204工作面支架初撐力低的原因，經(jīng)分析認為有以下幾個原因：

a) 升柱時注液時間較短。b) 注液槍注液時有漏液現(xiàn)象。c) 部分立柱管理不力，存在漏液現(xiàn)象。

3) 實測工作面支架循環(huán)末阻力平均值分別為3 076 kN/架，相當于額定工作阻力的56.5% ，可見支架的利用率偏低，支架性能沒發(fā)揮出來。因此，要加強工作面現(xiàn)場管理，提高支架的初撐力，充分發(fā)揮支架的工作效率。

4) 實測最大工作阻力平均值為4 721.7 kN/架，相當于額定工作阻力86.7%。實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計中，最大工作阻力為4 991 kN/架，相當于額定工作阻力的91.6%。由此可見，支架是在較富裕工作阻力下運行的，可見工作阻力可以滿足工作面實際開采的要求，所選低位放頂煤支架ZF5500/17/28HQ的性能完全能夠滿足工作面對頂板的支護要求。

2 工作面超前支承壓力分布特征

工作面超前支承壓力實測采用鉆孔應(yīng)力計，將5臺鉆孔應(yīng)力計安裝在S204工作面上順槽距工作面煤壁90 m煤體下幫處。安裝深度分別為2 m、4 m、6 m、8 m、10 m。主要區(qū)別是深入煤體的范圍不同，其目的是測量不同深度范圍工作面煤體超前支承壓力的變化情況。所測數(shù)值均為相對應(yīng)力變化值。

當工作面推進到應(yīng)力計安裝位置時，5臺鉆孔應(yīng)力計均獲得了數(shù)據(jù)，可得出工作面超前支承壓力與測點到工作面煤壁距離之間的關(guān)系曲線(見圖3)。

由圖3可知，6 m和10 m的鉆孔應(yīng)力計由于安裝或其它原因數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢不符合實際，可認為數(shù)據(jù)失效。

由2 m、4 m、8 m深的鉆孔應(yīng)力計可知，隨著工作面的推進，鉆孔開始變形收縮，數(shù)據(jù)呈緩慢增加的趨勢。

圖3 工作面超前支承壓力分布圖

對于2 m深的鉆孔應(yīng)力計，工作面超前支承壓力峰值為4.05 MPa，距離工作面煤壁10.2 m 超前支承壓力影響范圍大約40 m，顯著影響范圍有26 m左右。應(yīng)力集中系數(shù)2.01。

對于4 m深的鉆孔應(yīng)力計，工作面超前支承壓力峰值為3.87 MPa，超前支承壓力峰值距離工作面煤壁7.6 m，超前支承壓力影響范圍大約35 m，顯著影響范圍有20 m左右，應(yīng)力集中系數(shù)1.94。

對于8 m深的鉆孔應(yīng)力計，工作面超前支承壓力峰值為3.24 MPa，距離工作面煤壁12 m 超前支承壓力影響范圍大約35 m，顯著影響范圍有20 m左右。應(yīng)力集中系數(shù)1.78。3個鉆孔應(yīng)力計具體相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同深度測點的應(yīng)力特征值

通過現(xiàn)場實測，工作面超前支承壓力峰值點離工作面大約10 m左右，影響范圍大約37 m左右，應(yīng)力集中系數(shù)平均1.91。由工作面超前支承壓力分布情況來看，盡管工作面可采煤層煤質(zhì)較軟，但是由于煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜且頂煤中含有一定厚度的硬煤夾層，相當于頂煤中存在著強度較大的夾矸層，從而顯現(xiàn)出較硬煤層的支承壓力分布特征，即支承壓力的分布范圍和峰值點距煤壁的距離并不大。

3 結(jié) 論

1) 含硬煤夾層厚煤層綜放工作面平均周期來壓步距為16.1 m，比不含硬煤段簡單結(jié)構(gòu)厚煤層綜放開采的平均周期來壓步距大，平均動壓系數(shù)為1.40，略高于全國放頂煤工作面的平均動壓系數(shù)(1.37)，來壓較明顯。

2) 工作面支架初撐力偏低，支架利用率偏低，因此，應(yīng)該加強工作面現(xiàn)場管理，提高支架的初撐力，充分發(fā)揮支架的工作效率。

3) 工作面兩端支架載荷小于中部支架載荷，上端支架載荷小于下端支架載荷，支架性能完全能夠滿足支護強度的要求。

4) 含硬煤夾層厚煤層綜放開采時，由于頂煤中含有一定厚度的硬煤夾層，相當于頂煤中存在著強度較大的夾矸層，超前支承壓力顯現(xiàn)出較硬煤層的支承壓力分布特征，即支承壓力的分布范圍和峰值點距煤壁的距離并不大。

[1] 耿獻文. 礦山壓力測控技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 2002：102-103.

[2] 錢鳴高,石平五. 礦山壓力及巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 2003：69-71.

[3] 劉長友,衛(wèi)建清,萬志軍,等.房柱式開采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及頂板監(jiān)測[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,31(4):388-391.

[4] 張連勇．超長綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2002(3)：114-117.