寬溝礦卸壓沖擊煤層綜采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律*

盧 儉

(1.中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院，北京100083;2.神華新疆能源公司，新疆 烏魯木齊830000)

0 引 言

煤礦開采條件復雜多變，致災因素眾多，一些未發(fā)生沖擊地壓災害的礦井也相繼出現(xiàn)了沖擊災害［1-2］。沖擊災害不僅嚴重威脅煤礦的安全生產(chǎn)，也引發(fā)了社會的極大關注。在這方面，國內(nèi)外學者進行了大量的理論和實踐研究，提出了許多行之有效的沖擊地壓預測預報和防治技術方法與措施，在煤礦生產(chǎn)中的應用也取得了顯著的效果［3-5］。

根據(jù)關鍵層理論，工作面來壓受到頂板硬厚關鍵層的控制。堅硬頂板的大面積懸露形成工作面超前壓力集中導致大面垮落，是誘發(fā)工作面沖擊地壓的源頭。監(jiān)控和處理堅硬頂板的運動規(guī)律，采取合理措施釋放頂板應力集中區(qū)的煤體應力集中，減小頂板懸露范圍，有助于預防工作面沖擊地壓災害的發(fā)生［4-5］。準南煤田是新疆大型煤炭現(xiàn)代化生產(chǎn)基地，受到區(qū)域構(gòu)造影響，在煤層開采過程中發(fā)生了強礦壓顯現(xiàn)。工作面煤巖體釋放出極大的能量，形成強礦壓，在生產(chǎn)過程中發(fā)生了多次沖擊礦壓顯現(xiàn)，造成了工作面嚴重的人員和財產(chǎn)損失災害事故［6］。

由于寬溝煤礦特殊的地應力條件、巖層結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件，工作面沖擊地壓防治尤為突出。尤其是煤層頂板堅硬在采空區(qū)大面積懸露難冒造成工作面應力集中，極易誘發(fā)沖擊煤層發(fā)生地壓災害事故。在生產(chǎn)中，系統(tǒng)地分析采用沖擊煤層頂板大面積卸壓方法對礦山壓力分布的影響，研究采用了沖擊煤層頂板預裂爆破法、水壓致裂［7-10］等的綜合卸壓效果，具有重要的意義。本文結(jié)合寬溝煤礦頂板卸壓條件下綜采工作面條件，采用綜合的礦壓觀測手段，結(jié)合工作面煤柱鉆孔觀測和液壓支架工況研究，分析了沖擊煤層工作面頂板卸壓煤柱應力分布，以及液壓支架的工作特性，揭示了沖擊煤層卸壓條件下的綜采工作面礦壓特點，研究結(jié)果為類似沖擊煤層綜采工作面的安全生產(chǎn)提供了參考依據(jù)。

1 礦山壓力觀測方法

寬溝煤礦開采4 -1 煤層，該煤層具備發(fā)生沖擊礦壓的條件。4 -1 煤層頂板為粉砂巖，平均厚度9 m，屬于Ⅱ類頂板，為具有弱沖擊傾向性的巖層;4 -2 煤層，平均厚度3 m，直接頂為粗砂巖，厚度大，頂板屬于Ⅲ類;底板為中粗砂巖厚度18.1 m，為具有強沖擊傾向性的巖層。試驗綜采工作面運輸巷布置在實體煤層側(cè)，回風巷道沿采空區(qū)布置，留設20 m 煤柱護巷。工作面開采前方頂板實施了超前水壓致裂和預裂爆破等防沖措施進行煤層卸壓，圖1 中虛線范圍為頂板卸壓措施區(qū)間。

1.1 應力監(jiān)測

1.1.1 應力觀測設計

采動應力的演化過程對沖擊地壓的發(fā)生具有重要誘發(fā)作用。為此在試驗工作面設計了工作面內(nèi)部和煤體應力的監(jiān)測站如圖1 所示。15 個鉆孔應力計共布置3 組，分別在回風巷道實體煤中距工作面129 m 處布置第1 組1#～5#共5 個煤體應力計;在采空區(qū)側(cè)煤中距工作面139 m 處布置第2 組11#～15#共5 個煤體應力計。在運輸巷下幫距工作面425 m 處布置第3 組6#～10#共5 個煤體應力計。測站鉆孔直徑為48 mm，每組測站鉆孔的深度分別為5，7，9，11 和13 m.記錄采動過程中工作面監(jiān)測站的應力變化結(jié)果。

圖1 工作面和煤柱觀測方案Fig.1 Face and coal pillar observation program

1.1.2 觀測設備

觀測設備采用天地股份公司研發(fā)的KSE -Ⅲ型鋼弦壓力觀測系統(tǒng)，由KSE-Ⅲ-R 型鋼弦記錄儀和KSE-Ⅲ-C 型鋼弦采集儀、系統(tǒng)地面適配器和計算機等組成。巡檢周期最短為1 s，壓力測量量程為0 ～30 MPa，集中載荷量程為0 ～600 kN.本次礦壓觀測設定為30 min 自動記錄一次，遇頂板來壓縮短觀測時間至5 min.

KSE-Ⅲ型測力儀測試壓力與頻率的關系為

式中 F 為測力儀所測的壓力值，MPa;C 為計算系數(shù);f0，f1為測力儀測試的初始頻率和工作頻率。

1.2 支架壓力觀測

工作面支架工況觀測目的是掌握在開采過程中支架的初撐力和工作阻力等支架工作特性，掌握工作面周期來壓規(guī)律。采用CDW -60R 型支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)進行觀測，布置在工作面的下部Ⅰ組、中部Ⅱ組和上部Ⅲ組支架上，每組由3 個支架組成，如圖1 所示。

2 工作面的礦壓規(guī)律

2.1 超前工作面壓力的影響規(guī)律

根據(jù)工作面和巷道煤柱應力觀測結(jié)果，得到工作面煤體壓力分布曲線如圖2 所示。由于在觀測過程中5#應力計損壞，不計入統(tǒng)計觀測。因此采用圖2 中給出的1#～4#應力計的觀測結(jié)果統(tǒng)計，其中1#應力觀測曲線顯示工作面的超前壓力影響范圍為0 ～62 m，峰值位置出現(xiàn)在工作面前方24 ～25 m;2#應力計觀測的超前壓力影響范圍為0 ～38 m，峰值位置為16 ～18 m.3#應力計觀測工作面的超前影響范圍為0 ～63 m，峰值位置為工作面前方19 m 位置。4#鉆孔應力計觀測工作面的超前壓力影響范圍為0 ～45 m，峰值位置為工作面前方21 m位置。平均影響范圍0 ～50 m，峰值區(qū)在16 ～25 m之間。與巷道煤幫不同距離壓力觀測表明，距離煤幫5 m 處應力下降，出現(xiàn)卸壓情況，7 m 處應力出現(xiàn)峰值，9 m 處應力有所下降，而至11 m 處煤層應力較小而均勻。

相應地根據(jù)煤體6#～10#應力計的觀測結(jié)果，得到超前工作面煤體壓力分布曲線如圖3 所示。觀測結(jié)果顯示，試驗工作面超前支承壓力影響范圍為0 ～63 m，峰值位置為工作面前方16 ～25 m范圍內(nèi)。與巷道煤幫不同距離壓力觀測表明，距離煤幫5 m 處應力下降，出現(xiàn)卸壓情況，7 m 處應力出現(xiàn)峰值，9 m 處應力有所下降，而至11 m 處煤層應力較小而均勻。與工作面回風巷煤幫壓力分布基本一致。

圖2 1# ～4#鉆孔應力分布曲線Fig.2 1# ～4# Drilling stress distribution curve

圖3 6# ～10#鉆孔應力分布曲線Fig.3 6# ～10# Drilling stress distribution curve

2.2 煤柱支承壓力分布

根據(jù)煤層鉆孔應力計11#～15#的觀測結(jié)果，綜合得出如圖4 所示的距離工作面100，80，60，40，20 m 等位置處的側(cè)向煤體支承壓力的分布曲線。

圖4 巷道煤柱支承壓力曲線Fig.4 Coal pillar bearing pressure curve

觀測顯示，工作面推進過程中煤柱壓力處于動態(tài)變化中，煤柱核部支承壓力距離工作面約60 m 范圍時迅速增加，而距離工作面60 m 以外時煤柱核部支承壓力基本穩(wěn)定。根據(jù)側(cè)向煤柱應力觀測結(jié)果，煤柱壓力峰值范圍在9 m 左右。而煤柱不同深度應力觀測表明，頂板卸壓后在30 m 煤柱中，距離煤幫5 m 深處最小，7 m 深處在增加，9 m 深處最大，11，13 m 深處降低，但是最大的9 m 處未超過巖石破壞強度，煤柱穩(wěn)定，可以將煤柱從30 m 留設減少至20 m 寬度。

2.3 工作面周期來壓規(guī)律

根據(jù)工作面支架載荷觀測結(jié)果，得到如圖5 所示的工作面推進距離與頂板壓力的關系，反映了工作面頂板卸壓后的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

圖5 支架壓力與推進距離關系圖Fig.5 Support pressure and advancing distance relationship

圖5 中，觀測工作面上、中、下不同位置的頂板來壓先后步距不同。由于水壓致裂卸壓、深孔預裂爆破等頂板防沖措施的作用，在工作面礦壓觀測過程，工作面下部頂板來壓步距較小，基本都在10 m 以下，但工作面上部頂板來壓步距在20 m 左右;工作面中部頂板來壓步距介于10 ～20 m 之間。

頂板卸壓區(qū)開采過程中，未在出現(xiàn)工作面頂板的切頂現(xiàn)象，煤壁來壓平穩(wěn)，全部工作面頂板來壓步距較頂板預裂前步距減小0.7 ～2 倍，頂板來壓期間工作面正常推進速度為5.6 m. 同時，在工作面頂板卸壓區(qū)進行的煤柱鉆粉試驗測定，結(jié)果正常，具體分析將另文闡述。因此，適時進行工作面的頂板水壓預裂和爆破切頂處理［7-9］，對工作面頂板礦壓顯現(xiàn)控制有重要的作用。

3 液壓支架工況分析

3.1 支架工作阻力分析

液壓支架工況分析，按實測支架立柱的最大工作阻力統(tǒng)計，分5 個區(qū)間進行分析，得到了工作面下部、中部和上部不同位置支架在卸壓區(qū)推進過程的工作阻力分布，如圖6 所示。

圖6 支架工作阻力分布圖Fig.6 Support resistance distribution

由圖6 可見，下部Ⅰ組支架在8 ～25 MPa 區(qū)間內(nèi)的工作阻力占到了92.3%;中部支架工作阻力在16 ～32 MPa 區(qū)間的占到了74.7%;上部支架工作阻力在19 ～29 MPa 區(qū)間占到57.2%，10 ～19 MPa 區(qū)間的占到了27.8%.

可見，支架工作阻力分布為下部小，上部大，工作面中部居中的規(guī)律。工作面支架平均工作阻力小于支架的額定工作阻力，表明經(jīng)過頂板卸壓等切頂防沖措施后，工作面頂板懸頂面積減小，支架壓力較小，支架的工作阻力和支護強度出現(xiàn)了過剩。

3.2 支架初撐力分析

液壓支架的額定初撐力為P=31.5 MPa.通過觀測得到了工作面下部、中部、上部不同位置支架在卸壓區(qū)間推進過程中實際初撐力的分布，如圖7所示。

圖7 支架初撐力分布區(qū)間直方圖Fig.7 Support setting force distribution interval histogram

可以看出，工作面支架的初撐力分布在0 ～8 MPa 之間占了11.52%;在8 ～16 MPa 之間占了33.86%;在16 ～24 MPa 之間占了38.83%;在24～32 MPa 之間的數(shù)據(jù)占了15.78%.

由此可見，工作面55%的支架的初撐力超過支架額定初撐力的50%;其余支架的額定初撐力在16 MPa 以下。

3.3 循環(huán)末阻力分析

支架循環(huán)末阻力是指在支架每個割煤循環(huán)結(jié)束時，支架開始向前移動前支架的工作阻力。支架循環(huán)末阻力的大小直接反映了工作面頂板對支架的作用強度如圖8 所示。

從圖8 中可以看出，工作面下部支架的循環(huán)末阻力較小，分布在8 ～24 MPa 的占到了90%.中部和上部支架阻力較下部支架高，分布在16 ～24 MPa 之間占了41.63%;在24 ～32 MPa 之間占了37.16%;在32 ～40 MPa 之間占了6.73%;在40 MPa 以上的數(shù)據(jù)占了1.24%. 在8 ～16 MPa 之間的僅有3.25%.說明支架循環(huán)末阻力較高。

圖8 支架工作阻力分布Fig.8 Support resistance distribution

綜合可見，工作面液壓支架處于微增阻和恒阻運行狀態(tài)。

4 結(jié) 論

1)沖擊煤層頂板卸壓條件下，綜采工作面超前支承壓力顯現(xiàn)規(guī)律明顯，同樣具有超前影響區(qū)和應力峰值區(qū)，觀測工作面應力集中區(qū)超前工作面16 ～25 m;巷道煤幫支承壓力影響范圍為11 m，卸壓區(qū)5 m，煤柱核區(qū)峰值壓力距離煤幫9 m 左右。在煤層卸壓措施影響下，綜采工作面煤壁頂板的切頂消除，煤壁來壓期間平穩(wěn)，頂板來壓步距較預裂前減小0.7 ～2 倍，頂板來壓期間工作面正常推進速度為5.6 m.卸壓后沿空側(cè)煤幫煤體中的應力集中最大，煤柱煤核應力集中較小;

2)支架工況觀測表明，煤層卸壓區(qū)液壓支架工作阻力和頂板支護強度出現(xiàn)富余，支架循環(huán)末阻力較高，工作面液壓支架處于微增阻和恒阻運行狀態(tài);

3)工作面煤層鉆粉試驗和頂板卸壓措施由于篇幅有限，將另文闡述。

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