沿空留巷綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

趙 森

(晉城煤業(yè)集團(tuán)沁秀公司坪上煤業(yè)，山西 晉城 048203)

1 XV4307工作面概況及地質(zhì)情況

1.1 工作面概況

晉城煤業(yè)集團(tuán)鳳凰山礦XV4307工作面采掘情況:東為三水平四盤(pán)區(qū)回風(fēng)巷、皮帶巷及軌道巷(均已掘)，南為154309工作面，西為礦界，北為154305工作面(已采)。上覆9#煤為95311、95313工作面及小窯采空區(qū)。

工作面所采煤層為15#煤，一次采全高，工作面傾斜長(zhǎng)176.4 m，走向長(zhǎng)度783.4 m，煤層厚度1.70 ～3.10 m，平均厚度2.13 m。工作面布置3條順槽，采用二進(jìn)一回通風(fēng)方式，支護(hù)方式均為錨桿支護(hù)，錨索、鋼帶補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，并且為了防止在開(kāi)采過(guò)程中形成大面積懸頂，礦壓顯現(xiàn)壓垮工作面，該工作面采取了超前深孔預(yù)裂爆破的方法。

1.2 地質(zhì)情況

蓋山厚度:工作面地面標(biāo)高為790.9～826.5 m，工作面標(biāo)高為577～663 m。蓋山厚度為160～252 m，平均200 m。

煤層構(gòu)造特征:煤層為15#煤層，黑色，亮煤為主，團(tuán)塊狀，含1層0.45 m較穩(wěn)定厚夾矸。煤層普氏硬度2～4，夾矸普氏硬度1～2，煤層傾角0～18°，平均傾角6°，煤體容重1.5 t/m3。該工作面由一向斜和一背斜組成，其中背斜軸向N7°E，傾伏SE，兩翼傾角0°～6°，平均4°;向斜軸向 N12°W，傾伏 NW，兩翼傾角0°～25°，平均8°，對(duì)回采有一定影響。

1.3 采煤方法

該工作面采用傾斜長(zhǎng)壁一次采全高后退式綜合機(jī)械化采煤法。軌道巷采用混凝土膏體材料充填沿空留巷，其余采空區(qū)頂板采用自然垮落法管理。

1.4 頂板管理

工作面支架布置形式:本工作面采用2架ZT16000—16/30型端頭支架支護(hù)端頭頂板，采用ZZ8000－17/32型支架116架支護(hù)工作面頂板，采用ZT9500/20/30型端頭支架支護(hù)沿空留巷端頭。

2 礦壓觀測(cè)內(nèi)容

2.1 工作面

觀測(cè)工作面綜采支架工作阻力隨工作面推進(jìn)的變化，分析工作面直接頂(老頂)初次垮落步距、老頂初次來(lái)壓及周期來(lái)壓的特征、顯現(xiàn)程度、動(dòng)載系數(shù);分析頂板活動(dòng)狀況及支護(hù)阻力變化規(guī)律;分析斷層構(gòu)造對(duì)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的影響規(guī)律;分析現(xiàn)行實(shí)際支架阻力分布狀態(tài)，包括支架工作阻力、初撐力是否滿足頂板支護(hù)要求等，為現(xiàn)有支架適應(yīng)性分析提供科學(xué)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)依據(jù)。

2.2 沿空留巷

巷道表面位移、圍巖深部位移、巷道頂板壓力觀測(cè)、充填墻體受力觀測(cè)。

3 觀測(cè)儀器布置方式

3.1 工作面觀測(cè)儀器布置

工作面礦壓觀測(cè)采用KJ216綜采工作面頂板動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，工作面布置3個(gè)測(cè)區(qū)，分別布置在工作面上部、中部、下部，見(jiàn)圖1。

圖1 KJ216頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備布置圖

3.2 沿空留巷儀器布置

3.2.1 綜合測(cè)站

在工作面后方采空區(qū)0～320 m范圍內(nèi)每隔20 m布置1個(gè)巷道表面位移測(cè)點(diǎn)(共布置16個(gè))，其中:每隔60 m布置1個(gè)綜合測(cè)站(共布置5個(gè))，見(jiàn)圖2。

3.2.2 綜合測(cè)站觀測(cè)方法

1)表面位移觀測(cè)方法:首先觀測(cè)AO的頂板下沉量，然后觀測(cè)OB的底板底鼓量，再觀測(cè)CO的煤體幫變形量，最后觀測(cè)CD墻體幫變形量，見(jiàn)圖3。

2)巷道頂板壓力觀測(cè):在沿空留巷320 m處布置單體連續(xù)監(jiān)測(cè)記錄儀，對(duì)留巷頂板壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，見(jiàn)圖4。

圖2 XV4307工作面沿空留巷測(cè)站布置圖

4 礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 工作面

通過(guò)礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，工作面直接頂(老頂)斷裂后，斷裂巖塊A、B、C之間相互擠壓、支撐可以形成暫時(shí)的力學(xué)平衡結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)隨著工作面的推進(jìn)周期性平衡－失穩(wěn)－再平衡。在此過(guò)程中，斷裂后的B巖塊將逐步發(fā)生下沉運(yùn)動(dòng)，在下沉過(guò)程中受A、C巖塊的水平擠壓和工作面支架的支撐，在工作面回采周期內(nèi)可達(dá)到暫時(shí)的平衡，直至接觸采空區(qū)矸石。該結(jié)構(gòu)周期性的變化會(huì)對(duì)工作面支架形成載荷，見(jiàn)圖5。

圖5 上覆巖層活動(dòng)模型示意圖

4.1.1 支架工作阻力隨工作面推進(jìn)距離變化關(guān)系

實(shí)測(cè)工作面支架工作阻力隨工作面推進(jìn)距離變化，XV4307工作面直接頂(老頂)初次來(lái)壓及前5次周期來(lái)壓情況見(jiàn)表1。

表1 頂板來(lái)壓步距及強(qiáng)度數(shù)據(jù)整理表

4.1.2 頂?shù)装逡平?/p>

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，工作面割煤循環(huán)內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，因此，可用頂板下沉量表示頂?shù)装逡平?，?jiàn)圖6。

圖6 工作面頂板移近量曲線圖

從圖6可以看出，工作面(循環(huán))頂板下沉量最小為61 mm，最大為82.2 mm，平均73.72 mm。

4.2 沿空留巷

巷道表面位移觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

根據(jù)沿空留巷安裝的KBJ60－Ⅲ單體連續(xù)記錄儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，沿空留巷160 m處煤體側(cè)單體最大工作阻力114 kN，巷道中間單體最大工作阻力288.32 kN，巷道墻體側(cè)單體最大工作阻力266 kN，說(shuō)明煤柱側(cè)、墻體側(cè)單體支撐效果不明顯，主要原因是:由于巷道底板松軟單體鉆底嚴(yán)重，使得單體支撐效果不明顯。沿空留巷320 m處單體采用穿柱鞋以后，巷道中間單體最大工作阻力達(dá)到268.28 kN，墻體側(cè)單體最大工作阻力達(dá)到567.72 kN，表明單體使用柱鞋后，支護(hù)強(qiáng)度明顯提高。

表2 巷道表面位移變化速度統(tǒng)計(jì)表

5 老頂來(lái)壓規(guī)律

5.1 老頂初次來(lái)壓步距

根據(jù)工作面支架工作阻力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，工作面老頂初次來(lái)壓步距為30.1 m，影響時(shí)間42 h，影響范圍5.45 m，來(lái)壓期間支架最大工作阻力為6700 kN，動(dòng)載系數(shù) 1.77。

5.2 老頂周期來(lái)壓步距

1)根據(jù)工作面支架工作阻力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，工作面平均周期來(lái)壓步距13.92 m，影響時(shí)間10.02 h，影響范圍1.7 m，來(lái)壓期間支架最大平均工作阻力為6576.02 kN，動(dòng)載系數(shù)1.27。

2)老頂周期來(lái)壓時(shí)，工作面機(jī)頭1#～10#架懸頂2～8 m，中部20#～100#架懸頂1.5～6 m 左右，機(jī)尾至105#架懸頂2～6 m，見(jiàn)圖7。

圖7 工作面懸頂觀測(cè)剖面圖

6 結(jié)論

1)XV4308綜采工作面無(wú)論是老頂初次來(lái)壓，還是老頂周期性來(lái)壓，沿工作面方向并不是同時(shí)來(lái)壓，而是呈現(xiàn)分段局部來(lái)壓、遷移特征。

2)工作面巨厚頂板弱化處理后，老頂初次來(lái)壓步距平均30.1 m，影響時(shí)間42 h，影響范圍5.45 m，來(lái)壓期間支架最大工作阻力為6700 kN，非來(lái)壓期間支架工作阻力3785 kN，動(dòng)載系數(shù)1.77。

3)工作面周期來(lái)壓步距平均13.92 m，影響時(shí)間平均10.02 h，影響范圍平均1.7 m，來(lái)壓期間支架最大平均工作阻力為6576.02 kN，非周期來(lái)壓期間支架平均工作阻力 5201.23 kN，支架動(dòng)載系數(shù)平均 1.27。

4)觀測(cè)期內(nèi)，工作面液壓支架工況良好，支架各部件沒(méi)有出現(xiàn)折損現(xiàn)象，供液系統(tǒng)正常，支架初撐和工作阻力滿足工作面頂板支護(hù)要求，沒(méi)有出現(xiàn)大馬拉小車(chē)現(xiàn)象。

5)沿空留巷在巷道底板松軟的情況下，必須采用穿柱鞋的方法來(lái)增大單體柱底的承壓面積，使得單體承壓強(qiáng)度得到有效提高，這樣才能確保對(duì)巷道頂板的有效支護(hù)，減輕墻體充填初期及在養(yǎng)護(hù)期間，受頂板壓力的影響，保證墻體在凝固期間的強(qiáng)度，使墻體整體穩(wěn)定性和完好性得到了提升。

［1］陳炎光，陸土良.中國(guó)煤礦巷道圍巖控制［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1994:133－135.

［2］錢(qián)鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003:97－99.