準(zhǔn)大采高綜放工作面礦壓特征的研究

武志學(xué)

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

同煤集團(tuán)云岡礦8212工作面為準(zhǔn)大采高綜放開(kāi)采工作面，工作面開(kāi)采12#煤層，煤層厚度為5.54～7.45 m，平均6.34 m；工作面直接頂為2.43 m厚的砂質(zhì)頁(yè)巖，老頂為22.67 m厚的中細(xì)粒砂巖互層，直接底為0.64 m厚的砂質(zhì)泥巖。煤層傾角為3°～5°。為了對(duì)準(zhǔn)大采高工作面頂板應(yīng)力分布規(guī)律以及待采煤柱體的應(yīng)力分布與變形規(guī)律進(jìn)行分析研究，本文通過(guò)對(duì)8212工作面進(jìn)行礦壓觀(guān)測(cè)，整理分析觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)并得出該工作面的礦壓特征，為類(lèi)似條件下其他工作面開(kāi)采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究提供一定的參考。

1 礦壓觀(guān)測(cè)方案

1.1 工作阻力的監(jiān)測(cè)設(shè)備及方案

本次礦壓觀(guān)測(cè)設(shè)備選用的是CDW-60支架阻力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)配套尤洛卡液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。觀(guān)測(cè)方案：在工作面上、中、下分別設(shè)立3條測(cè)線(xiàn)， 每條測(cè)線(xiàn)布置5個(gè)液壓支架，分別為：36#～40#，71#～75#，106#～110#。同時(shí)，另一套監(jiān)測(cè)設(shè)備CDW-60分別安裝在76#與111#支架上。

1.2 煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備及方案

本次關(guān)于煤體應(yīng)力的觀(guān)測(cè)設(shè)備主要選用KSE-Ⅱ型鉆孔應(yīng)力計(jì)24臺(tái)，在5212回風(fēng)巷靠工作面?zhèn)炔贾?2臺(tái)，靠煤柱側(cè)布置12臺(tái)，煤柱與工作面?zhèn)雀鞑贾?個(gè)測(cè)站，其中煤柱側(cè)測(cè)站分別布置在兩個(gè)煤柱上，編號(hào)為1、2、3、4，1號(hào)與2號(hào)測(cè)站各一臺(tái)觀(guān)測(cè)設(shè)備，3號(hào)測(cè)站布置4臺(tái)觀(guān)測(cè)設(shè)備，4號(hào)測(cè)站布置6臺(tái)觀(guān)測(cè)設(shè)備。靠近工作面?zhèn)炔贾?5、6、7、8)4個(gè)測(cè)站，其中每個(gè)測(cè)站均布置2臺(tái)鉆孔應(yīng)力計(jì)，各鉆孔應(yīng)力計(jì)間距為5 m，測(cè)站之間間距為20 m。觀(guān)測(cè)的主要目的是為了掌握工作面采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，得出工作面超前支護(hù)的范圍與強(qiáng)度，同時(shí)通過(guò)對(duì)煤柱側(cè)支承壓力的觀(guān)測(cè)分析，最終確定煤柱的合理尺寸。

2 礦壓觀(guān)測(cè)結(jié)果

2.1 頂板來(lái)壓步距

為了使統(tǒng)計(jì)分析的礦壓數(shù)據(jù)更清晰準(zhǔn)確，故觀(guān)測(cè)的范圍選在支架支撐狀態(tài)較好以及來(lái)壓顯現(xiàn)規(guī)律角明顯的位置。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該工作面在觀(guān)測(cè)期間共推進(jìn)91 m，其中工作面運(yùn)輸巷推進(jìn)約86.5 m，回風(fēng)巷推進(jìn)約95.2 m。通過(guò)分析支架工作阻力可以初步掌握工作面來(lái)壓情況。工作面最大支護(hù)阻力與推進(jìn)距離變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 工作面最大支護(hù)阻力與推進(jìn)距離變化曲線(xiàn)圖

根據(jù)圖1可知，基本頂初次來(lái)壓步距為43 m，在監(jiān)測(cè)期間工作面周期來(lái)壓3次，周期來(lái)壓步距為15.7 m、15.4 m和14.4 m，平均來(lái)壓步距為15.2 m。另外，老頂初次來(lái)壓過(guò)程中，支架平均工作阻力為2 542.4 kN，支架工作阻力峰值平均為3 745.9 kN，為額定工作阻力的53.51％；而初次來(lái)壓前支架平均工作阻力為1 461.1 kN，動(dòng)載系數(shù)為1.74。周期來(lái)壓期間，支架平均工作阻力為2 533.7 kN，支架工作阻力峰值平均為3 423.3 kN，為額定工作阻力的45.6％；而來(lái)壓前支架平均工作阻力為1 883.3 kN，動(dòng)載系數(shù)為1.35。

2.2 支架壓力分布特征

1) 實(shí)測(cè)支架工作阻力描述。

觀(guān)測(cè)支架平均工作阻力數(shù)據(jù)為2 016 kN，僅為該支架額定工作阻力的29％，實(shí)測(cè)出平均支護(hù)強(qiáng)度為0.27 MPa，約為支架額定支護(hù)強(qiáng)度的30.3％，表明支架設(shè)計(jì)的工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度富裕量較大，可以承受頂板來(lái)壓的影響。觀(guān)測(cè)支架最大工作阻力數(shù)據(jù)為4 081 kN，為該支架額定工作阻力的58％，實(shí)測(cè)出支架最大支護(hù)強(qiáng)度為0.54 MPa，約為支架額定支護(hù)強(qiáng)度的60.7％，表明支架可以承受較大強(qiáng)度來(lái)壓的影響，額定工作阻力與支護(hù)強(qiáng)度符合生產(chǎn)的要求。

根據(jù)實(shí)測(cè)，支架載荷統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1。

表1 支架整架平均工作阻力分布表

從圖1,表1中可以看出，支架載荷呈正態(tài)分布，載荷多集中于1 000～4 000 kN，約占67％，相當(dāng)于額定工作阻力的42.8％；4 000～5 000 kN約占15.2％，相當(dāng)于額定工作阻力的64.3％。這反映四柱支撐掩護(hù)式液壓支架在S2202工作面的應(yīng)用完全可以滿(mǎn)足要求，即使在基本頂來(lái)壓時(shí)，最大平均工作阻力達(dá)4 081.6 kN，仍有40％以上的富裕量。

2) 支架初撐力和循環(huán)末阻力分析。

通過(guò)對(duì)工作面初次來(lái)壓期間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，支架平均初撐力為2 371 kN，約為額定值33.9％，前柱平均初撐力實(shí)測(cè)為528 kN，占額定初撐力1 750 kN的30.2％；后柱平均初撐力為657.4 kN，占額定初撐力的37.6％。通過(guò)對(duì)工作面周期來(lái)壓期間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，支架平均初撐力為2 081 kN，約為額定值29.7％，前柱平均初撐力實(shí)測(cè)為451 kN，占額定初撐力1 750 kN的25.8％；后柱平均初撐力為588.9 kN，占額定初撐力的33.7％。

由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，支架初撐力分布特征為正態(tài)分布，中間區(qū)域占據(jù)比例最大，過(guò)大數(shù)值與過(guò)小數(shù)值所占比例均較小。通過(guò)此次現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析可知，該工作面支架初撐力整體偏低，工作面中部支架初撐力分布不合理，前柱支撐力過(guò)小，工作面機(jī)頭部分后柱初撐力小，導(dǎo)致整架初撐力偏低，這種情況對(duì)于頂板支護(hù)不利。

工作面支架平均循環(huán)末阻力為3 147.0 kN，占其額定工作阻力(7 000 kN)的45.0％，其中>3 147.0 kN的占46.8％，工作面平均循環(huán)末阻力主要分布在2 500～4 000 kN。

從實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)來(lái)看，支架平均循環(huán)末阻力為2 992.9 kN，占額定工作阻力的42.76％，最大循環(huán)末阻力為3 895.0 kN，其工作阻力主要分布在2 800～4 000 kN,由此說(shuō)明該工作面使用支架所涉及的額定工作阻力能夠滿(mǎn)足管理頂板的需要，同時(shí)有較大的富裕量。

2.3 煤柱側(cè)超前支承壓力分布規(guī)律

在8212工作面回風(fēng)巷煤柱上共安裝12臺(tái)鉆孔應(yīng)力計(jì)，用于監(jiān)測(cè)采動(dòng)過(guò)程中煤柱上方采動(dòng)應(yīng)力的變化情況。采動(dòng)應(yīng)力的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 煤柱超前支承壓力變化曲線(xiàn)圖

不同埋深條件下鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析如下：

當(dāng)鉆孔應(yīng)力計(jì)埋深在15 m時(shí)，實(shí)測(cè)出超前支承壓力相應(yīng)的峰值為14.01 MPa，且該峰值位于距工作面煤壁15.4 m位置，該位置的原巖應(yīng)力為5.8 MPa，相對(duì)的應(yīng)力為6.67 MPa，且應(yīng)力集中系數(shù)能達(dá)到2.1，工作面超前支承壓力段約40 m范圍，其中影響顯著的距離約18 m。

當(dāng)鉆孔應(yīng)力計(jì)埋深在11 m時(shí)，實(shí)測(cè)出超前支承壓力相應(yīng)的峰值為14 MPa，且該峰值位于距工作面煤壁15.2 m位置，該位置的原巖應(yīng)力為5.8 MPa，相對(duì)的應(yīng)力為9.78 MPa，且應(yīng)力集中系數(shù)能達(dá)到1.4，工作面超前支承壓力段約35 m，其中影響顯著的距離約17 m。

當(dāng)鉆孔應(yīng)力計(jì)埋深在9 m時(shí)，實(shí)測(cè)出超前支承壓力相應(yīng)的峰值為13 MPa，且該峰值位于距工作面煤壁13.2 m位置，該位置的原巖應(yīng)力為5.8 MPa，相對(duì)的應(yīng)力為8.15 MPa，且應(yīng)力集中系數(shù)為1.57，工作面超前支承壓力段約34.6 m，其中影響顯著的距離約16 m。

當(dāng)鉆孔應(yīng)力計(jì)埋深在5 m時(shí)，實(shí)測(cè)出超前支承壓力相應(yīng)的峰值為11.3 MPa，且該峰值位于距工作面煤壁13.5 m位置，該位置的原巖應(yīng)力為5.8 MPa，相對(duì)的應(yīng)力為7.05 MPa，且應(yīng)力集中系數(shù)為1.60，工作面超前支承壓力段約34.4 m，其中影響顯著的距離約16 m。

綜上所述，煤柱的應(yīng)力集中程度比工作面?zhèn)雀?，超前影響范圍更大，因此，?yīng)保證足夠長(zhǎng)的超前支護(hù)距離。

3 結(jié) 論

1) 通過(guò)對(duì)8212工作面支架工作阻力的連續(xù)監(jiān)測(cè)可知，基本頂?shù)某醮蝸?lái)壓過(guò)程中，支架平均工作阻力約為2 542 kN，工作阻力的峰值可達(dá)到3 746 kN，即為額定工作阻力的53.5％，整個(gè)來(lái)壓步距為43 m。而初次來(lái)壓前支架平均工作阻力為1 461.1 kN，動(dòng)載系數(shù)為1.74。周期來(lái)壓期間，支架平均工作阻力為2 533.7 kN，支架工作阻力峰值平均為3 423.3 kN，為額定工作阻力的45.6％；而非來(lái)壓時(shí)支架平均工作阻力為1 883.3 kN，動(dòng)載系數(shù)為1.34，平均來(lái)壓步距為15.1 m。

2) 工作面初次來(lái)壓過(guò)程中，支架平均初撐力為2 371 kN，約為額定值的33.9％，支架前柱的平均初撐力為528.1 kN，占額定初撐力(1 750 kN)的30.2％；后柱平均初撐力為657.4 kN，與額定初撐力的37.6％；工作面周期來(lái)壓過(guò)程中，支架平均初撐力為2 082 kN，約為額定值的29.7％，支架前柱的平均初撐力為452 kN，占額定初撐力(1 750 kN)的25.8％；后柱平均初撐力為589 kN，與額定初撐力的33.7％。工作面機(jī)頭部分后柱支撐力小，導(dǎo)致整架初撐力偏低，這種情況對(duì)于頂板支護(hù)不利。

3) 整個(gè)工作面支架平均工作阻力為2 016.1 kN，占其額定值工作阻力(7 000 kN)的28.8％,其工作阻力分布非常均，平均工作阻力主要分布在1 500～3 500 kN，可以看出，該工作面支架的額定工作阻力可以滿(mǎn)足頂板的管理要求。支架前后柱工作阻力分布較平均，能正常工作。

4) 工作面支架平均循環(huán)末阻力為3 147.0 kN，占其額定值工作阻力(7 000 kN)的45.0％，其中>3 147.0 kN的占46.8％，該工作面平均循環(huán)末阻力主要分布區(qū)間為2 800～3 800 kN，即工作面支架的額定工作阻力完全可以支撐頂板。

5) 工作面所在位置的原巖應(yīng)力約為5.8 MPa，而支承壓力的平均峰值為9.67 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為1.66。即8212工作面超前支承壓力作用范圍在35～38 m處，隨工作面的逐步推進(jìn)，其增幅也逐步增加，峰值位于煤壁前方14.2 m處，應(yīng)力集中系數(shù)為1.66。

參 考 文 獻(xiàn)

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