淺埋深大采高礦壓監(jiān)測與分析

張衛(wèi)民

(山西晉煤集團洪洞晉圣榮康煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 041600)

位于陜北和內(nèi)蒙的礦區(qū)，目前及今后相當長一段時間內(nèi)，各礦開采區(qū)域大部分埋深都小于120m[1]。這類煤層具有淺埋深、薄基巖的特點。淺埋煤層開采采場礦壓非但沒有因采深變淺而減小，反而由于綜采工作面在上覆薄基巖層和松散沙層的重力作用下,發(fā)生頂板基巖全厚切落，出現(xiàn)異常強烈的礦壓顯現(xiàn)，造成工作面壓力明顯加大，同時地面出現(xiàn)臺階下沉。

隨著神東礦區(qū)的開發(fā)，我國許多學者開始了淺埋煤層采場礦壓問題的研究。20世紀90年代初中國礦業(yè)大學錢鳴高院士首次提出了采場上覆巖層活動中的關鍵層理論，建立了關鍵層的判別準則，深入研究了在關鍵層作用下巖層的變形、離層及斷裂規(guī)律[2]。侯忠杰教授在錢鳴高院士提出的“關鍵層理論”基礎上提出了“組合關鍵層”理論，用“組合關鍵層”分析了淺埋煤層頂板控制理論[3]，提出了淺埋煤層頂板某幾層巖層形成組合關鍵層。柴敬教授對淺埋煤層的大比例立體模型進行了研究[4]，通過模型因次分析，開展了為研究神府礦區(qū)淺埋深、薄基巖、厚沙覆蓋層下開采巖層破斷運動規(guī)律而進行的大型立體模擬實驗，直觀再現(xiàn)了礦井在開采過程中上覆巖層的動態(tài)破壞過程。

顯然，淺埋近距離下煤層工作面開采礦壓顯現(xiàn)異常有其特殊性，需要掌握此類條件下覆巖運動規(guī)律與動載礦壓發(fā)生機理，才能有的放矢，找出合理的防范措施，保證后續(xù)工作面的安全生產(chǎn)。

1 222203工作面概況

井田地面大部分為低矮山丘，地形總體趨勢南高北低，煤層傾角1°～5°。埋深0～160m；第四系厚度在0～24.31m，平均5.63m。煤層頂?shù)装鍘r石主要為砂質泥巖、細粒砂巖，次為粉砂巖。2-2上煤層位于延安組第三巖段(J1-2y3)中上部，2煤組上部，井田內(nèi)基本全區(qū)發(fā)育且基本全區(qū)可采，煤層自然厚度0～11.46m，平均4.50m，可采厚度0.80～10.28m，平均4.55m。煤層頂?shù)装鍘r石主要為砂質泥巖、細粒砂巖，次為粉砂巖。

222203工作面輔助運輸順槽位于2-2上煤層輔助運輸大巷北翼，222203膠帶運輸順槽在輔助運輸順槽正東240m處，兩順槽呈南北方向條帶型布置。工作面端頭選用ZYT11000/25/50D型端頭液壓支架7架，其中溜尾4架，溜頭3架。選用4架ZYG11000/25/50D型過渡支架，其中溜頭、溜尾各2架，中間支架選用ZY11000/28/63D型支撐掩護式支架131架，共142架，支架全部使用北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司國產(chǎn)SAC型電液控制系統(tǒng)。支撐高度：2.8～6.3m，支撐寬度：1660～1860mm，初撐力：7918kN(31.5MPa)工作阻力：11000kN(43.8MPa)支護強度：1.15MPa～1.21MPa，底板比壓：1.9MPa～4.5MPa，支架中心距：1750mm。

2 礦壓觀測及分析

2.1 觀測方案

為了探討222203工作面回采時的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,確定初次來壓與周期來壓的步距及強度,評價目前工作面頂板管理方式,分析支柱性能的合理性，在工作面安裝了山東尤洛卡礦業(yè)安全工程股份有限公司提供的KJ216礦用觀測設備對工作面進行礦壓觀測。工作面安裝17臺頂板壓力監(jiān)測分站，其中每個端頭支架布置一臺，其他按均勻布置，分機固定安裝在支架的頂梁下面，工作面通訊電纜采用吊掛式安裝，壓力分機的1、2 壓力通道采用KJ1-10高壓油管與綜采支架的左右立柱連接，第3通道與支架平衡千斤頂或前探梁油缸連接。綜采通訊分站安裝在移變列車上，通訊分站通過一條防護式電纜與工作面壓力監(jiān)測分機連接，工作面推進時通訊分站及電源、電纜隨移變列車一起移動。

測點位置位于：2號架，10號架，19號架，28號架，37號架，46號架，55號架，64號架，73號架，82號架，91號架，100號架，109號架，118號架，127號架，136號架，141號架。本次以37號架，46號架，91號架，100號架號架為例，分析222203工作面在2012年5.10～5.20期間的礦壓規(guī)律。

2.2 來壓統(tǒng)計

頂板來壓分析以支架每天最大(加權平均)工作阻力的平均值與其均方差之和作為判斷頂板來壓的主要指標。數(shù)據(jù)計算的公式為：

(1)

頂板來壓依據(jù)：

(2)

圖1為36#、45#、91#、100#支架每天最大(加權)工作阻力、與其對應的來壓判據(jù)及來壓情況。

圖1 工作阻力隨工作面推進距離的變化曲線

圖1的統(tǒng)計結果如表1所示。通過對表1的分析可知，周期來壓步距為8.5～17.5m，平均值為14.65m。其中5月11號初次來壓后，持續(xù)時間較長，直到5月13號初次來壓的影響才完全消失。很多支架出現(xiàn)報警。因此說明初次來壓時的壓力顯現(xiàn)明顯，此后周期來壓的情況則小很多。初次來壓后支架的工作阻力接近甚至超過了額定工作阻力，說明初次來壓的強度非常明顯，因此在后續(xù)工作面開采中要特別注意初次來壓的顯現(xiàn)情況。

表1 支架來壓步距(單位m)

2.3 來壓特點

該工作面于2012年5月10日開始正式回采，5月11日初次來壓，由圖1可以看出，此時工作面推進了11.5m，此時大約有20個支架出現(xiàn)了報警，達到了支架的額定阻力。說明初次來壓非常明顯。結合工作面可知片幫嚴重。同時由圖1可知，初次來壓持續(xù)時間較長，大約持續(xù)了2d，于5月13日結束。在來壓十分鐘內(nèi)，支架上方出現(xiàn)了大量的淋水，可見頂板破斷裂縫通常在煤壁前方很近的距離。5月112日早晨，當工作面推進16 m時，地表出現(xiàn)第一道明顯的裂縫塌陷。

通過現(xiàn)場考察可知，初次塌陷時，塌陷裂縫距工作面只有10m距離，而且裂縫的產(chǎn)狀基本與工作面平行，也呈正南北向。羅盤測量結果表示，裂縫的傾角達到85°，說明工作面來壓時，基本屬于切頂整體冒落。隨后周期來壓期間，出現(xiàn)了臺階式的下沉，臺階高差最大可到1.5m。隨著工作面的推進，原先張開的裂縫逐漸縮小。

結合表1發(fā)現(xiàn)，工作面存在大小周期來壓現(xiàn)象。有的周期來壓范圍小、強度低，推進距離短，稱之為小周期來壓，平均步距8m。而有的周期來壓范圍廣、來壓強度大、持續(xù)推進的距離長，我們稱之為大周期來壓，來壓步距為16.5m左右。之所以出現(xiàn)大小周期現(xiàn)場，可能是工作面每推進一段距離，基本定就會完全斷裂，充分垮落，形成的周期

3 結論

根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)及地表塌陷觀測，對222203工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了研究，得到了如下的結論：

1) 初次來壓明顯，持續(xù)時間長；

2) 存在大小周期來壓，小周期來壓步距為8m左右，大周期來壓步距為16.5m左右；

3) 地表塌陷明顯，出現(xiàn)臺階式下城，且裂縫高差明顯，最大達1.5m。

[1] 張興陽、崔亞利。淺埋深特厚煤層綜放開采礦壓規(guī)律監(jiān)測與分析[J].煤礦安全，2011,11(3):34-36.

[2] 黃慶享，錢鳴高，石平五．淺埋煤層采場老頂周期來壓結構分析[J]．煤炭學報，1999，24(6):581-285．

[3] 崔廷鋒，張東升，范鋼偉,等．淺埋煤層大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架適應性[J]．煤炭科學技術，2011,39(1):25-28.

[4] 馮曉棟，任永強，范志忠．淺埋深中硬厚煤層大采高綜放開采實踐[J]．煤炭工程,2011(2):50-51.