淺埋煤層采場礦壓規(guī)律及支架合理工作阻力研究

（陽煤集團左權(quán)永興煤化有限責任公司 山西 045000）

在我國神東地區(qū)有著豐富的淺埋煤層非常便于開采，產(chǎn)量非常高。與深埋煤層相比，淺埋煤層的研究比較少，能夠獲得的理論也比較少，這使得在淺埋煤層開采中仍有出現(xiàn)安全事故的可能性。在淺埋煤層開采時，對地表的擾動比較大，礦壓顯現(xiàn)的更加劇烈，對煤礦的安全開采十分不利。為了能有效地指導淺埋煤層的安全開采，非常有必要對采場的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，從而確定液壓支架的工作阻力。

本文以石圪臺煤礦31201工作面為研究背景，通過力學實驗、相似模擬實驗[1-3]、現(xiàn)場實測與理論分析等方法對其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了深入的研究。本文首先進行了相似模擬材料的配比實驗研究[4]。建立了不同材料配比號與試件力學參數(shù)之間的關(guān)系，為相似模擬材料配比提供依據(jù)。其次，根據(jù)石圪臺31201工作面地質(zhì)條件及開采技術(shù)條件，依據(jù)相似模擬實驗、現(xiàn)場實測、理論計算等方法研究了工作面過上覆采空區(qū)及煤柱區(qū)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，得到了工作面的初次來壓步距、周期來壓步距及支架的工作阻力等數(shù)據(jù)。通過相似模擬實驗可知：工作面上覆巖層為采空區(qū)時，初次來壓步距為48m，周期來壓步距平均為14m，采動過程中模型支架工作阻力小于額定工作阻力；工作面上覆為煤柱區(qū)時，礦壓顯現(xiàn)劇烈，而當工作面在出煤柱階段礦壓顯現(xiàn)非常劇烈，支架峰值達到31950kN，是額定工作阻力的1.78倍。同時，依據(jù)煤層底板壓力傳感器實測分析可知，工作面超前支護距離約為20m。通過現(xiàn)場實測分析可知：31201工作面上覆為房采采空區(qū)時，初次來壓步距48.6m，周期來壓步距為11.1m，來壓期間支架平均支護阻力38.7MPa（15209kN），非來壓期間支架平均支護阻力30MPa，動載系數(shù)1.29。工作面上覆為煤柱時，為了防止壓架事件，此時應對煤柱比較集中區(qū)域進行爆破處理，弱化煤柱，削弱煤柱應力集中。經(jīng)現(xiàn)場驗證可知，該方法可行，但為保證安全，仍需在工作面利用液壓支柱加強支護，并結(jié)合其它監(jiān)測手段預防壓通過對31201工作面相似模擬實驗及現(xiàn)場實測可知，二者結(jié)果基本吻合，研究結(jié)果為預防壓架事件提供了參考，對類似煤層的安全開采具有-定的借鑒意義。

1.淺埋煤層采場礦壓規(guī)律的研究

當工作面促進上部覆蓋區(qū)域破壞工作面31201頂部的完整性時，減小壓力臺階的初始距離，在前進到4m后，采用獵槍對煤層進行預裂。工作面初壓時不明顯，當工作面移動到4.8m時，局部壓力達到42.6MPa，地面壓力顯示不多，煤壁上有少許破裂；當工作面移動到20.8m時，井內(nèi)壓力形態(tài)也不明顯，中部開始加壓，壓力峰值達到40.5MPa，當工作面移動到40.8m時，壓力峰值達到45.8MPa，在加壓過程中，工作面出現(xiàn)40-110個小輔件，輔件深度達到100mm，同時按壓安全閥支架的開啟速度達到10%。與前兩次加壓相比，第三次加壓是工作面的第一次加壓，工作面31201的第一次加壓步驟為48.6m。

（1）石圪臺煤礦31201工作面初次來壓步距48.6m，工作面在初次來壓之前，初壓步距為48.6m，支架對初壓的工作阻力通常在27-35MPa之間，當支架在工作面初壓階段的峰值達到45.8MPa（1800kN），等于液壓支架的額定工作阻力時，液壓支架的液壓支架閥開啟系數(shù)達到10%，說明工作面處于初壓階段，壓力上的壓力不尖銳。

（2）采氣房下工作面處于推進過程中，加壓平均時間為11.1m，連續(xù)平均距離為4.6m的壓力，加壓時平均支撐阻力為38.7MPa，不完全加壓時平均支撐阻力為30MPa，動載荷比為1.29。

（3）在上覆采空區(qū)下，支架工作阻力主要分布在25-30MPa占總數(shù)據(jù)，支架工作阻力主要在25-30MPa內(nèi)延伸，占總數(shù)據(jù)的47.2%，液壓支架初力在25.2-30MPa內(nèi)，說明支架初始強度低，應該增加初始強度；30至35個主生產(chǎn)計劃—總數(shù)據(jù)的21.4%；35至40個主生產(chǎn)計劃—總數(shù)據(jù)的12.4%；40到45MPa，占總數(shù)的10.3%；蒸餾器占總數(shù)據(jù)的7.9%。40MPa以上40“120”支架讀數(shù)的數(shù)據(jù)分別為14.8%、20.9%、23.4%、23.5%、17.3%、17.3%、24.7%、13.5%、14.8%，據(jù)統(tǒng)計可知，工作面有拉長的趨勢，兩端壓力低，中間壓力較大。

（4）在煤柱下開采時，工作面上爆炸處理后的片幫不會急劇出現(xiàn)；當工作面從煤柱中出來時，由于上覆煤柱的電壓集中，導致工作面上的覆巖被普遍切割，當工作面從煤柱中出來時，直接延伸到2倍煤層厚度。上方覆蓋的巖石，甚至更多地延伸到地表，壓力峰值達到53.7MPa。煤柱上部覆蓋過度弱化期間工作面上的液壓支架減少，但地面壓力仍然相對較強，因此工作現(xiàn)場仍然需要采取一個液壓支架來加強工作面，以避免壓力架的事件。

（5）工作面煤柱超載產(chǎn)生的壓力架機理分析表明，煤柱出口階段壓力架的根本原因是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和滑開。

（6）在工作場所，為避免壓架事件的出現(xiàn)，在煤柱下采煤時，人工進入2-2煤層采空區(qū)，對相對穩(wěn)定的頂板區(qū)域進行爆破處理，削弱煤柱，降低煤柱的電壓濃度，其次，應用微震監(jiān)測技術(shù)，獲取微震空間的能量變化規(guī)律和頻率，通過煤載預測工作面過渡過程中的動載壓力[5-7]。

2.淺埋煤層采場支架合理工作阻力的研究

支架的初始支撐力的確定。通過對地面40多個綜采工作面的測量，經(jīng)過分析，合理的初撐力與名義工作阻力的比值為60%-85%，工作面的測量也表明，支架的實際初撐力與名義初撐力的比值平均只有71%，這意味著需要保證工作面支架的實際初撐力達到理想值，初撐力的項目值應該很高[8-9]。因此，本實驗支架的初始強度與名義初始力之比可接受78%，比實測值高6個百分點。類似地，基于相似性標準的模擬支撐的標稱初始力的安裝也反映了原型支撐的標稱初始強度。實驗支持的初始階段。支撐名義初始強度為4680kN。已知大多數(shù)初始支撐位于標稱初始支撐附近，不到標稱初始支撐總數(shù)的68%。從勞動阻力分布的頻率可知，一小部分工作阻力支架仍處于初始受力狀態(tài)，大部分工作在5000kN左右，飛越次數(shù)約為65%。約8%的支撐工作在約5400kN，因為屋頂對壓力標準的阻力為5219kN，很明顯，這些大約8%的飛越是在按壓屋頂時的支撐載荷。而超過公稱勞動阻力6000kN的份額僅為2.8%，說明在正常情況下，公稱勞動阻力6000kN的支架在壓工作面頂板時可以滿足管理要求。雖然支架的工作阻力不適中，但大多數(shù)支架僅在初始支架和初始支架上方10%的阻力之間工作。在一般情況下，額定阻力為6000kN的支架工作面提升距離為95.6m，已過5次加壓循環(huán)，當采動載荷增加到老頂時平均為1.13，最大為1.34，該綜采工作面支架載荷增加率平均較小，支架穩(wěn)定。標稱工作阻力為6000kN的支架在工作面頂板受壓時，能滿足管理要求；雖然支架的操作阻力不高，但大多數(shù)支架僅在初始支架和初始支架上方10%的阻力之間工作。工作面初始壓力所涉及的巖石最大厚度為8-9m，包括直頂，有時參與巖石的厚度約為4m，阻力支架大多作用于初始力。標稱阻力為4800kN的支架工作面的前進距離為980m，已通過5次壓制循環(huán)；大多數(shù)周期壓力下安全閥支架開啟速度快，標稱工作阻力4800kN的支架不能有效控制頂板受壓，不僅支架會被壓碎，而且支架節(jié)點會嚴重損壞[10-12]。

3.小結(jié)

淺埋煤層采場礦壓顯現(xiàn)具有其特殊性規(guī)律，超越了傳統(tǒng)的開山長墻壓力理論的解釋。壓力特征的規(guī)律與一個小角落煤層長壁-薄巖石-深層土壤巖石，小角落煤層-固體屋頂和其他條件有關(guān)，這表明，下降的臺階是由一個關(guān)鍵層破壞不穩(wěn)定，對巖層有一個結(jié)構(gòu)的影響[6]。借助于這種模擬實驗和逐步分析的數(shù)值模擬結(jié)果表明，頂板的破壞是拉破壞，舊頂板的第一次破壞具有不對稱性，舊部分周期性破壞后有可能形成不穩(wěn)定的鉸鏈結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)地研究了舊巖混淆處的揉皺和摩擦特性，確定了定量分析頂板結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)—巖塊端部的角揉皺率和摩擦系數(shù)；闡述了小煤層底板支架處于“失穩(wěn)壓力”狀態(tài)，在頂板荷載的定義中引入了荷載傳遞系數(shù)，根據(jù)支架隨移動的巖石一起移動的觀點，介紹了底板扣件阻力的確定方法和計算公式。分析了影響扣件阻力的因素，指出了控制屋面的經(jīng)濟方法。