超長(zhǎng)工作面高強(qiáng)度開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實(shí)測(cè)研究

馬 平，申紅軍，邢平偉

（1.山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)有限公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100；2.太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所,山西 太原 030024）

超長(zhǎng)工作面高強(qiáng)度開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實(shí)測(cè)研究

馬 平1，申紅軍1，邢平偉2

（1.山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)有限公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100；2.太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所,山西 太原 030024）

通過(guò)觀測(cè)研究,揭示了近淺埋煤層360m工作面的礦壓顯現(xiàn)特征和頂板活動(dòng)規(guī)律,對(duì)比300m工作面，總結(jié)了工作面長(zhǎng)度對(duì)礦壓顯現(xiàn)的影響規(guī)律，對(duì)研究淺埋煤層頂板結(jié)構(gòu)理論和指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐具有重要的理論和實(shí)踐意義。

淺埋煤層；超長(zhǎng)工作面開(kāi)采實(shí)驗(yàn)；礦壓觀測(cè)；礦壓顯現(xiàn)

長(zhǎng)期以來(lái)，借鑒國(guó)外先進(jìn)的開(kāi)采技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，榆礦淺埋薄基巖煤層開(kāi)采，主要應(yīng)用240m長(zhǎng)度的綜采工作面進(jìn)行，在開(kāi)采技術(shù)與技術(shù)裝備配套方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。2005年榆礦4-2煤層成功應(yīng)用300m工作面，但360m工作面開(kāi)采的應(yīng)用與研究尚屬空白。為了給神東礦區(qū)超長(zhǎng)工作面的推廣以及高產(chǎn)高效計(jì)劃實(shí)施摸索積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在對(duì)300m工作面進(jìn)行觀測(cè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行360m工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與巖層控制技術(shù)等超長(zhǎng)工作面的關(guān)鍵問(wèn)題研究。

1 工作面概況

44200-Ⅰ工作面煤層埋藏較淺（100m左右），開(kāi)采厚度3～4m，頂板為砂質(zhì)泥巖直接頂，厚度6.25 m，中砂巖基本頂，厚度14.5m,比較容易垮落，煤層傾角平緩，一般0～3°，賦存穩(wěn)定，厚度變化小。

2 礦壓儀器布置與觀測(cè)方案

為獲取代表全工作面礦壓分布特點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)在全工作面長(zhǎng)度設(shè)置7個(gè)觀測(cè)站（見(jiàn)圖1），每個(gè)測(cè)站的支架上2個(gè)立柱均安裝電子圓圖自記儀表，測(cè)站編號(hào)為 CZ1、CZ2、CZ3、CZ4、CZ5、CZ6、CZ7。測(cè)站間距45m，距離工作面機(jī)頭（下出口）分別為 45m、90m、135m、180m、225m、270m、315m。

3 礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

44200-Ⅰ工作面的礦壓觀測(cè)，歷經(jīng)2個(gè)月，獲得了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)。分析上部測(cè)線（329.9m），中部側(cè)線（180m）,下部測(cè)線（35.9m）的支架載荷變化。

圖1 44200-Ⅰ工作面礦壓觀測(cè)布置方案

3.1 44200-Ⅰ工作面初次來(lái)壓規(guī)律

從44200-Ⅰ工作面支架載荷變化曲線，分析出該360m超長(zhǎng)工作面，下部測(cè)線的直接頂垮落步距為13.8 m，垮落時(shí)支架載荷為35 MPa，是平時(shí)載荷的1.4倍；中部測(cè)線的直接頂垮落步距為14.6 m，垮落時(shí)支架載荷為41 MPa，是平時(shí)載荷的1.35倍；上部測(cè)線的直接頂垮落步距為17m，垮落時(shí)支架載荷為38MPa，是平時(shí)載荷的1.32倍。3條測(cè)線的直接頂垮落步距平均值為15.1m。按照全工作面3條測(cè)線的支架載荷總平均值與推進(jìn)距離關(guān)系，直接頂垮落步距為18.6m。綜合二者數(shù)據(jù)知該面的直接頂垮落步距為16.9m。該工作面下部測(cè)線實(shí)測(cè)初次來(lái)壓步距為27.4 m，中部為29.1 m，上部為37 m，全工作面總平均初次來(lái)壓步距為31.2 m。按照全工作面3條測(cè)線的支架載荷總平均值與推進(jìn)距離關(guān)系，初次來(lái)壓步距為33.1m，與各測(cè)線初次來(lái)壓步距平均值31.2m吻合。綜合平均，該面的初次來(lái)壓步距平均值為32.2m。

3.2 44200-Ⅰ工作面周期來(lái)壓規(guī)律

觀測(cè)期間下部測(cè)線共經(jīng)歷了28次周期來(lái)壓，其周期來(lái)壓步距變化范圍在5.95～34.85 m，平均為14.36m；中部測(cè)線經(jīng)歷了33次周期來(lái)壓，其周期來(lái)壓步距變化范圍在5.1～21.5 m，平均為12.08 m；上部測(cè)線經(jīng)歷了34次周期來(lái)壓，其周期來(lái)壓步距變化范圍在4.3～20 m，平均為11 m；全工作面各測(cè)線總平均載荷與推進(jìn)距離觀測(cè)表明，經(jīng)歷了30次周期來(lái)壓，來(lái)壓步距范圍在4.25～30.6m，周期來(lái)壓步距總平均值為13.11m。3條測(cè)線的平均周期來(lái)壓步距總平均，知周期來(lái)壓步距為12.48m，綜合考慮得該工作面的周期來(lái)壓步距12.8m。參見(jiàn)表1。

表1 工作面周期來(lái)壓步距變化特性

3.3 44200-Ⅰ工作面載荷變化與分布規(guī)律

3.3.1 整個(gè)觀測(cè)期間各測(cè)線的載荷變化規(guī)律

在整個(gè)觀測(cè)期間，工作面3條測(cè)線的初撐力與末阻力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 整個(gè)觀測(cè)期間工作面載荷變化特征

全工作面3條測(cè)線總平均后，支架初撐力在20.78～34.33 MPa變化，平均為27.89 MPa；末阻力在26.17～46 MPa范圍變化，平均為34.1 MPa，末阻力平均值是初撐力平均值的1.22倍。

3.3.2 周期來(lái)壓期間各測(cè)線的載荷變化規(guī)律

全工作面3條測(cè)線總平均后，周期來(lái)壓期間支架初撐力在26.1～34.3 MPa之間變化，平均為29.25；末阻力在33.7～46 MPa范圍變化，平均值38.22 MPa,末阻力平均值是初撐力平均值的1.31倍。參見(jiàn)表3。

表3 周期來(lái)壓期間各測(cè)線的載荷變化規(guī)律

3.3.3 支架初撐力與末阻力的關(guān)系分析

整個(gè)觀測(cè)期間[2]，支架末阻力Pm與初撐力P0的回歸關(guān)系為：

Pm=（0.931P0+10.108）MPa.

支架末阻力與初撐力呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=0.6195。

來(lái)壓期間，支架末阻力Pm與初撐力P0的回歸關(guān)系（見(jiàn)圖2）。

圖2 來(lái)壓期間支架初撐力與末阻力的關(guān)系

支架末阻力與初撐力呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=0.6629。

3.3.4 沿工作面方向的礦壓分布特征分析

1）整個(gè)觀測(cè)期間礦壓分布特征

對(duì)于初撐力而言（如表2所示），工作面中部平均支架載荷大于上部平均值，而上部又大于下部平均值。初撐力的最大值表現(xiàn)為工作面中部的支架載荷和上部相當(dāng)，而大于下部。最小值表現(xiàn)為中部大于上部，上部又大于下部。

對(duì)末阻力而言（如表3所示），工作面中部的平均支架載荷大于上部支架載荷平均值，而上部又大于下部支架載荷平均值。末阻力的最大值，工作面中部的支架載荷大于下部支架載荷，而下部大于上部支架載荷。下部與上部支架末阻力基本相當(dāng)。最小值呈工作面中部的支架載荷大于下部支架載荷，而下部大于上部支架載荷。參見(jiàn)圖3。

圖3 整個(gè)觀測(cè)期間沿工作面礦壓分布特征

初撐力和末阻力最小值上部小于下部的原因是工作面液壓管路遠(yuǎn)，越接近機(jī)尾液壓管路損失越大，供液壓力越低造成。

2）工作面來(lái)壓期間礦壓分布特征

初撐力（見(jiàn)表2）表現(xiàn)為工作面中部支架載荷大于上部，而上部又大于下部。初撐力最大值，工作面中部載荷小于上部，而上部大于下部。初撐力最小值，工作面中部載荷大于上部，而上部大于下部。末阻力（見(jiàn)表3）表現(xiàn)為工作面中部支架載荷大于上部，上部大于下部。末阻力最大值，工作面中部載荷、上部載荷、下部載荷，三者基本相當(dāng)。全工作面3條測(cè)線的末阻力最大值均超過(guò)了支架額定阻力值（安全閥開(kāi)啟壓力整定值45MPa）。末阻力最小值，工作面中部載荷大于上部，而上部大于下部。參見(jiàn)圖4。

圖4 周壓期間沿工作面礦壓分布特征

3.3.5 周期來(lái)壓次序與來(lái)壓強(qiáng)度的關(guān)系分析

工作面頂板來(lái)壓明顯分為7個(gè)階段（見(jiàn)圖5），第1階段為直接頂垮落、基本頂初次來(lái)壓和1～3次周期來(lái)壓，支架載荷增量平均為9.6 MPa；第2階段為第4次周期來(lái)壓，來(lái)壓強(qiáng)度很大，為17 MPa；第3階段為5～11次周期來(lái)壓，支架載荷增量平均為8.4 MPa；第4階段為12～15次周期來(lái)壓，強(qiáng)度較小，支架載荷增量平均為5.9MPa；第5階段為16～21次周期來(lái)壓，強(qiáng)度增大，平均為11MPa；第6階段為第22次周期來(lái)壓，來(lái)壓強(qiáng)度低，僅為4.1 MPa；第7階段為23～30次周期來(lái)壓，來(lái)壓強(qiáng)度較大，平均為8.7MPa。

圖5 工作面周期來(lái)壓次序與強(qiáng)度

3.3.6 周期來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)分析

工作面下部、中部和上部測(cè)線的動(dòng)載系數(shù)平均值分別為1.39、1.47、1.41，平均為1.42，滿足中部（180m）＞上部（329.9m）＞下部（35.9m）的順序。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)榆礦4-2煤層360m工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的實(shí)測(cè)，并與該煤層條件下300m工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律比較分析，得出：采高不變，工作面長(zhǎng)度加長(zhǎng)，初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距均減小。榆礦4-2煤層300m工作面初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距分別為56.4m和20m。

在采動(dòng)影響相同的情況下，長(zhǎng)度大的工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。360m工作面最大末阻力平均為34.1 MPa，300m工作面最大末阻力平均為30.5MPa。

沿工作面表現(xiàn)為中間大，兩端小的礦壓分布特征不因工作面長(zhǎng)度不同而變化。

工作面支架初撐力與末阻力的回歸關(guān)系為線性正比。來(lái)壓期間MPa，長(zhǎng)度小的工作面，增阻慢；長(zhǎng)度大的工作面，增阻快。說(shuō)明工作面長(zhǎng)度越大，采場(chǎng)頂板失穩(wěn)來(lái)壓的動(dòng)載荷加載速度越快。

工作面都存在沖擊載荷。360 m工作面支架載荷最大值為45～49 MPa，300 m工作面支架載荷最大值為44～54MPa。

〔1〕黃慶享,劉文崗,田銀素.淺埋煤層大采高礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實(shí)測(cè)研究〔J〕.礦山壓力與頂板管理，2003（3）：58-59.

〔2〕宋選民，顧鐵鳳，閆志海.淺埋煤層大采高工作面長(zhǎng)度增加對(duì)礦壓顯現(xiàn)的影響規(guī)律研究〔J〕.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2007，26（2）：4007-4012.

〔3〕邢平偉，宋選民，付玉平等.神東大采高超長(zhǎng)工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度預(yù)測(cè)研究〔J〕.中國(guó)煤炭.2009，35（8）：43-47.

Abstract:According to observation,the study reveals the strata behavior and roof activities rules of the 360m working face in the close-shallow seam.Compared with 300m working face,the paper concludes the influence regularity of working face length on the strata behavior,which has great theoretical and practical significance on the study of roof structure in shallow seams and the coal production.

Keywords:shallow seam,ultra-long face mining experience;pressure observation;strata behavior

編輯：劉新光

Measurement Study of High-tension Mining Strata Behavior Rule on Ultra-long Face

MA Ping1,SHEN Hong-jun1,XING Ping-wei2
（1.Xiang Ning Coking Coal Group,Xiangning Shanxi 042100,China;2.Mining Technology Institute,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024,China）

TD325

A

1672-5050（2010）04-0048-03

2009-11-18

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目（200631118-02）；太原市科技項(xiàng)目（09122036）

馬 平（1973—）男,山西鄉(xiāng)寧人，工程師，主要從事煤炭開(kāi)采技術(shù)和管理研究。