緩傾斜煤層深部綜采工作面礦壓規(guī)律研究

吳 強

(四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院， 四川 成都 610045)

隨著淺埋煤層逐漸開采殆盡，煤礦開采向深部延伸，深部工作面[1]采場與巷道的應(yīng)力分布及來壓狀況不同于淺部。目前對工作面的礦壓規(guī)律[2]研究多集中在淺埋煤層[3-5]，對深部緩傾斜煤層綜采工作面的研究[6]相對較少，且主要集中在工作面采場的周期來壓及支架工作阻力分布情況[7-9]，不能全面反映出工作面采場與回采巷道[10-11]的狀況。因此，合理布置礦壓觀測[12]儀器，研究相應(yīng)應(yīng)力分布與特點，摸清并掌握巷道圍巖礦山壓力[13-16]分布狀況，為支護形式及巷道優(yōu)化布置提供依據(jù)，對煤礦安全高效開采具有重要意義。

1 工作面概況

山東某礦東西長7～10 km；南北寬9 km，煤層賦存面積65 km。開采煤層為二疊系山西組3煤，平均厚度為2.50 m，埋藏深度為-500～-650 m，平均傾角12°。煤層主要特征為：黑色，塊狀及粉末狀，以亮煤為主，偶夾暗煤條帶，條帶狀及塊狀結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)比較簡單，局部地段夾矸。

1516工作面長度為180 m，頂板為中細砂巖，富水性較弱，厚度約44 m，局部存在厚度約0.4 m的泥巖。煤層直接底板為炭質(zhì)泥巖，厚度為3.85 m，老底為粉砂巖，厚度為6.80 m。下距三灰約50 m，三灰富水性中等，為3煤開采時的重要充水含水層，3煤綜合柱狀如圖1所示。

2 礦壓觀測內(nèi)容及方法

2.1 礦壓觀測的目的

掌握綜采工作面沿走向、傾向的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，進而掌握整個綜采工作面的壓力分布狀況，了解上覆巖層的運動范圍、規(guī)律，得出支架對頂板支護的穩(wěn)定性與可靠性；查明工作面兩巷圍巖移近量的范圍和程度，為采場和兩巷支護設(shè)計以及支護參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。

圖1 煤層綜合柱狀圖

2.2 測區(qū)布置

測區(qū)分為兩大部分，一是回采工作面內(nèi)的觀測，二是兩巷道內(nèi)的觀測，監(jiān)測方案布置見圖2。

2.3 觀測內(nèi)容及方法

工作阻力監(jiān)測：采用液壓支架工作阻力監(jiān)測儀KBJ-60-Ⅲ-2型對液壓支架立柱的工作阻力進行動態(tài)檢測，同時利用井下集中數(shù)據(jù)分機和采集器對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集和保存。

回采巷道圍巖變形監(jiān)測：采用“十字測量法”對巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平窟M行監(jiān)測，在巷道頂?shù)装寮皟蓭透鞑贾靡粋€基點，人工用皮尺進行測量。

圖2 礦壓觀測點布置圖

頂板離層監(jiān)測：采用頂板鉆孔安裝DLZ-Ⅱ型頂板離層監(jiān)測儀，對兩巷頂板離層情況進行觀測。

3 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

3.1 沿工作面走向礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

本次礦壓監(jiān)測研究的地點為1516采煤工作面，該工作面始采于2012年4月25日，截至2012年6月4日，該工作面共推進120 m，進行了為期40 d的支架工作阻力實時監(jiān)測。

1516綜采工作面頂板支護采用ZY8600/15/32D型掩護式液壓支架，在回采過程中，沿工作面傾斜方向布置觀測儀器，采用KBJ-60Ⅲ-2支架阻力連續(xù)記錄儀，除去異常數(shù)據(jù)及移架過程中的數(shù)據(jù)變化，處理之后，得到工作面回采0-120 m長度時的支架工作阻力數(shù)據(jù)(見圖3)。

圖3 工作面支架工作阻力

由圖3可知，當(dāng)工作面推進至24 m時，發(fā)生初次來壓，支架工作阻力為8112 kN；繼續(xù)推進至40 m時，發(fā)生了第二次來壓，支架工作阻力為9105 kN，安全閥開啟。之后工作面表現(xiàn)出周期性的來壓規(guī)律。周期來壓步距最大為18 m，最小為14 m，平均步距為16 m，來壓影響范圍為4～7 m，平均為5.5 m；來壓期間工作阻力最大為9105 kN，最小為8112 kN，平均為8536 kN，是額定工作阻力的99.2%；非來壓期間，支架所受的工作阻力平均為5137 kN，是額定工作阻力的59.7%。工作面的動載系數(shù)最大為1.77，平均為1.66。因此，工作面選用ZY8600/15/32D型掩護式液壓支架能夠滿足工作面的正常生產(chǎn)。

3.2 沿工作面傾向方向礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

工作面向前推進12，24，40，48，56，62，70 m時，分別得到液壓支架在來壓與非來壓期間沿工作面傾向的工作阻力狀況(見圖4)。

圖4 工作面傾向支架工作阻力特征

工作面在來壓期間，沿傾斜方向的壓力分布近似呈“峰”型，其中部、中上部處的支架所受工作阻力明顯大于兩端，并且在工作面機頭處所受工作阻力大于下部，工作面液壓支架工作阻力一般在35～55號支架位置處最大，該范圍內(nèi)最大工作阻力達到9105 kN。

工作面非來壓期間，液壓支架工作阻力沿傾向也呈“峰”型分布，其中上部42號支架處壓力最大，支架工作阻力達到5532 kN。

4 回采巷道圍巖變形規(guī)律分析

工作面回采巷道沿頂板掘進,在工作面前方設(shè)置觀測站，在頂板深部及兩幫深部布置1.6,3.2,4.3和6 m四個基點進行觀測，并對觀測站進行表面位移的觀測，結(jié)果見圖5、圖6。

由圖5、圖6中可以看出，運輸巷、回風(fēng)巷表面位移整體變化量不大；運輸巷兩幫最大移近量為345 mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?20 mm；回風(fēng)巷兩幫最大移近量為298 mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?79 mm，兩巷的兩幫變形量和頂?shù)装逦灰屏坎町惐容^小，圍巖收斂速度大體相同。在工作面回采期間，巷道圍巖變形可劃分為3個區(qū)域：

(1) 無采動影響區(qū)域。距工作面前方大約80～120 m以內(nèi)的區(qū)域，該區(qū)段巷道基本不受采動的影響，巷道維護狀況比較好；

圖5 運輸巷圍巖變形實測

圖6 回風(fēng)巷圍巖變形實測

(2) 采動影響區(qū)域。在工作面前方大約40～80 m以內(nèi)的區(qū)域，該段巷道由于受到工作面超前支承壓力的影響，巷道表面變形量表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，圍巖的平均變形速度為3.5 mm/d；

(3) 采動影響劇烈區(qū)域。在工作面前方大約40 m以內(nèi)的區(qū)域，巷道表面變形量急劇增大，圍巖變形的平均速度大于12 mm/d。

受工作面回采期間采動影響, 回風(fēng)巷圍巖內(nèi)部也產(chǎn)生了比較明顯的變形, 但深度不同、部位不同，圍巖變形量也就不同，其規(guī)律為圍巖的變形量隨鉆孔深度的增加而減小(見圖7)。經(jīng)觀測，頂板測點的變形量的最大值達到84.7 mm，且靠近工作面?zhèn)葴y點的最大變形量達到76.2 mm，靠近實體煤側(cè)測點的變形量為45.4 mm；巷道周邊深部圍巖的變形呈非線性，圍巖的松動圈半徑大約為1. 6 ～3.2 m, 并且隨著基點距煤幫表面的距離增加, 其相應(yīng)位移減小。

5 結(jié) 論

(1) 根據(jù)各測線的支架工作阻力的觀測結(jié)果，工作面初次來壓步距為24 m，平均周期來壓步距為16 m，來壓期間工作阻力最大為9105 kN，平均為8536 kN，是額定工作阻力的99.2%；非來壓期間，支架所受的工作阻力平均為4937 kN，是額定工作阻力的59.7%。工作面的動載系數(shù)最大為1.77，平均為1.66。支架性能能夠滿足工作面的正常生產(chǎn)。

圖7 回風(fēng)巷頂板深部位移曲線

(2) 工作面在來壓與非來壓期間，沿工作面傾斜方向的壓力分布近似呈“峰”型，其中在工作面中部、中上部支架位置處所受的工作阻力明顯大于兩端，工作面機頭位置處所受的工作阻力大于下部。

(3) 回采巷道支護比較合理，運輸巷、回風(fēng)巷的兩幫移近量及頂?shù)装逡平慷急容^小。工作面前方80 m以外，該區(qū)段巷道基本不受采動的影響, 巷道維護狀況比較好；工作面前方80 m以內(nèi)，以大約40 m為界，40 m以外區(qū)段巷道表面變形逐漸增大，40 m以內(nèi)的區(qū)段巷道表面變形快速增加。

(4) 巷道圍巖的變形量隨鉆孔深度的增加而減小，巷道周邊深部圍巖的變形呈非線性,圍巖松動圈半徑大約為1.6 ～3.2 m,并且隨著基點距煤幫表面的距離增加,其相應(yīng)位移減小。

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