“兩硬”綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實(shí)測研究

劉謀珍

（山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司，山西 大同037100）

綜放開采對煤體物理特性要求較高，若煤層硬度過大則不利于及時(shí)冒落，且冒落形成的煤體塊度較大，放煤難度較高，因此綜放開采對于煤層硬度較低的工作面應(yīng)用效果較好。山西忻州窯礦所采煤層為“兩硬”煤層，即工作面煤層硬度大，頂板硬度大，采用傳統(tǒng)分層開采存在的主要問題是工藝復(fù)雜、產(chǎn)能低、成本高，頂煤回收困難，不利于提高礦井的綜合效益，經(jīng)研究決定采用綜放技術(shù)進(jìn)行回采該煤層。綜放開采涉及到割煤和放煤，對于周圍煤巖體擾動作用較普通開采更大，對于支架－圍巖平衡關(guān)系要求更高，巷道穩(wěn)定性控制難度更大，故有必要對“兩硬”煤層綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究，只有這樣才能對工作面頂板管理、頂煤冒放、支 架調(diào)整等進(jìn)行指導(dǎo)，并指導(dǎo)工作面安全開采?，F(xiàn)以該礦8911工作面為例，分析“兩硬”綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

1 工作面概況

8911工作面位于該礦二采區(qū)，埋深為310～350m，該工作面西部為回風(fēng)下山、軌道下山和皮帶下山，北部為正在掘進(jìn)的8913工作面，南部和東部均為實(shí)體煤。該工作面所采煤層硬度系數(shù)f＝3～4.5；煤層厚度為5.5～9.2m，平均厚度為6.8m；煤層傾角為4°～12°，平均為8.5°。工作面?zhèn)雾敒楹?.1～0.23m的深灰色粉砂巖，直接頂為厚2.1～3.4m的灰黑色粉砂巖，基本頂為厚7.8～15.3m的灰白色中粒砂巖－粉砂巖－中粒砂巖。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)測試可知，該工作面直接頂和基本頂單軸抗壓強(qiáng)度分別為135.6MPa和110.5～150.6MPa。該工作面設(shè)計(jì)可采走向長度和傾斜長度分別為964m和150m，設(shè)計(jì)采放比為1∶1.2。工作面共布置4條巷道，其中底層2條巷道分別為進(jìn)風(fēng)順槽和回風(fēng)順槽，頂層2條巷道用作工作面的頂板和頂煤預(yù)爆弱化。工作面采場采用ZFS6000－22／35型放頂煤支架進(jìn)行支護(hù)，支架設(shè)計(jì)額定工作阻力為6000 kN，初撐力為5218kN。工作面頂板、頂煤預(yù)爆處理是通過頂層巷道在工作面前方30m進(jìn)行裝藥爆破。

2 礦壓觀測方案設(shè)計(jì)

生產(chǎn)實(shí)踐表明，工作面頂板來壓情況可由支架支護(hù)狀態(tài)直接反映，如支架活柱下縮量、支護(hù)阻力變化、安全閥的開啟等可直接或者間接的反映工作面頂板來壓步距、強(qiáng)度和影響時(shí)間等。將8911工作面分為上、中、下3個測區(qū)，每個測區(qū)布置3臺連續(xù)支架安裝KJ127型礦山壓力監(jiān)測儀對支架工作阻力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對應(yīng)的支架分別為18＃、19＃、20＃、50＃、51＃、52＃、86＃、87＃、88＃支架，該型壓力監(jiān)測儀所測數(shù)據(jù)直接通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)狡降赜?jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行分析。為了進(jìn)一步掌握該工作面礦壓顯現(xiàn)特征，對工作面液壓支架活柱下縮量、煤壁片幫情況進(jìn)行宏觀觀測和分析，8911工作面礦壓監(jiān)測系統(tǒng)布置見圖1。

圖1 8911工作面礦壓監(jiān)測系統(tǒng)布置示意

3 工作面來壓特征分析

3.1 工作面來壓特征

隨著工作面的逐步推進(jìn)，支架支護(hù)阻力逐漸增大，當(dāng)推至距離開切眼16.8m時(shí)直接頂開始垮落，當(dāng)推至距開切眼18.2m時(shí)直接頂垮落完畢，可知直接頂垮落步距為16.8～18.2m。直接頂垮落期間支架支護(hù)阻力明顯加大，平均為5045kN，最大支護(hù)阻力為5875kN，其中煤壁也出現(xiàn)了不規(guī)則連續(xù)性片幫現(xiàn)象。隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)，支架支護(hù)阻力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，即在距離開切眼34.5m時(shí)支架支護(hù)阻力達(dá)到峰值，由此可知工作面初次來壓步距為34.5m，來壓期間支架平均阻力為5210kN，最大支護(hù)阻力為6015kN；隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，支架支護(hù)阻力呈周期性變化，其中分別在距離開切眼45m、61.2m、78.7m、94.3m和110.2m出現(xiàn)峰值，在峰值期間，煤壁也出現(xiàn)了規(guī)律性的片幫現(xiàn)象，與直接頂來壓期間不同的是部分區(qū)域煤壁出現(xiàn)了整體下滑現(xiàn)象，部分支架端頭也出現(xiàn)了頂板破碎現(xiàn)象，故知統(tǒng)計(jì)期間工作面周期來壓步距分別為15.5m、16.2m、17.5m、15.6m 和15.9m。由所得數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實(shí)測可知，工作面來壓呈現(xiàn)出分段不規(guī)則來壓現(xiàn)象，即由工作面中部首先出現(xiàn)頂板破斷，然后由中部向兩端依次破斷，表現(xiàn)形式是工作面中部先來壓，兩端后來壓。觀測期間支架支護(hù)阻力變化情況見表1。

表1 8911綜放工作面液壓支架支護(hù)阻力變化情況

由表1可知，工作面推進(jìn)期間支架動載系數(shù)為2.1～2.5，平均為2.32，說明頂板來壓情況較顯著，但是，支架存在的主要問題是初撐力普遍較低，平均為3541kN，僅為額定初撐力的45%左右，分析認(rèn)為是支架工升架時(shí)間偏短導(dǎo)致，低初撐力支架不能夠給予頂板主動的支護(hù)作用，對于維護(hù)破碎的偽頂和直接頂極其不利，故應(yīng)加大支架初撐力管理，同時(shí)確保供液系統(tǒng)的穩(wěn)定，避免供液管路出現(xiàn)“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 支架支護(hù)阻力分布

由實(shí)測分析得出，支架支護(hù)阻力呈近似正態(tài)分布，且支架后柱工作阻力明顯大于前柱。為了掌握采場頂板來壓特征，根據(jù)KJ127型壓力監(jiān)測儀所測數(shù)據(jù)繪制支架支護(hù)阻力分布圖（見圖2）。

圖2 8911綜放工作面支護(hù)阻力分布直方圖

由圖2可知，液壓支架支護(hù)阻力主要分布在4000～5500kN范圍內(nèi)，約占總統(tǒng)計(jì)數(shù)的78.9%；支護(hù)阻力分布在3000～4000kN范圍內(nèi)的統(tǒng)計(jì)數(shù)約占總統(tǒng)計(jì)數(shù)的8.1%，0～3000kN范圍內(nèi)的統(tǒng)計(jì)數(shù)約占總統(tǒng)計(jì)數(shù)的10%，5500～6000kN范圍內(nèi)的統(tǒng)計(jì)數(shù)約占總統(tǒng)計(jì)數(shù)的2.5%，超出額定工作阻力6000kN的統(tǒng)計(jì)數(shù)約占總統(tǒng)計(jì)數(shù)的0.5%。由此可知，工作面在回采推進(jìn)期間，頂板來壓強(qiáng)度并不突出，先采用的支架可滿足采場支護(hù)要求。

3.3 宏觀觀測

開采實(shí)踐和理論研究認(rèn)為，工作面煤壁片幫與煤體物理特性、采高、頂板來壓特點(diǎn)和回采工藝等因素密切相關(guān)。8911綜放工作面所采煤層硬度較大，在非來壓期間煤壁普遍較完整，只是在拉架不及時(shí)或者割至預(yù)爆破范圍內(nèi)時(shí)會有區(qū)域性小面積片幫；在來壓期間，煤壁會出現(xiàn)一定程度的不均勻片幫現(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測可知，來壓期間煤壁片幫率約占工作面總長的32%，片幫大?。ㄩL×深×高）為3 m×0.4m×2.2m，分析認(rèn)為來壓期間煤壁片幫程度加劇主要是頂板來壓、煤體預(yù)爆破、采高大和支架支護(hù)不及時(shí)導(dǎo)致。根據(jù)工作面實(shí)際開采情況，采用拉超前架和及時(shí)護(hù)幫可以有效避免煤壁片幫現(xiàn)象出現(xiàn)。

采用標(biāo)點(diǎn)法對支架活柱下縮量進(jìn)行測量，由觀測結(jié)果可知，活柱下縮呈現(xiàn)出先慢后快的特點(diǎn)，分析認(rèn)為符合支架支護(hù)阻力變化規(guī)律。同時(shí)由觀測結(jié)果可知，在回采期間活柱下縮量在0～9mm之間，平均為3.2mm，其中非來壓期間活柱下縮量平均為2.3mm，來壓期間活柱下縮量平均為4.1mm。由此可知，支架活柱下縮量在回采期間普遍較小，說明該支架對采場條件適應(yīng)性較好，能夠滿足現(xiàn)場支護(hù)要求。

4 結(jié)語

1）8911工作面初次來壓步距為16.3m，周期來壓步距為15.5～17.5m，平均為16.1m。

2）在工作面回采期間支架平均工作阻力在4000～5500kN范圍內(nèi)，約占總統(tǒng)計(jì)數(shù)的78.9%；平均工作阻力為4433.55kN，為額定工作阻力的73.89%；支架初撐力普遍較低，平均初撐力僅為2811.79kN，僅為額定初撐力的53.88%；動載系數(shù)平均值為2.32，頂板來壓現(xiàn)象較明顯。

3）回采期間煤壁片幫程度較輕，支架活柱下縮量在0～9mm之間，平均為3.2mm，支架整體適應(yīng)性較好。

4）盡管8911工作面采用了預(yù)爆破方式對頂煤巖進(jìn)行了處理，但是根據(jù)觀測結(jié)果可知，工作面推進(jìn)期間頂板來壓現(xiàn)象較顯著，故應(yīng)適當(dāng)提高液壓支架初撐力，同時(shí)確保供液系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠，確保支架能給予頂板合理的主動支護(hù)力，只有這樣才能避免頂板事故的發(fā)生。

〔1〕盧國梁，閆志義，胡守平.兩硬條件下綜放開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究〔J〕.煤礦開采，1999，（3）：32－35.

〔2〕劉 鈞.大同“兩硬”條件綜放開采合理支架架型的選擇探討〔J〕.華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，2（4）：19－21.

〔3〕盧國梁.兩硬條件綜放開采關(guān)鍵技術(shù)〔J〕.煤礦開采，2009，14（3）：23－25.

〔4〕王 凱，楊雙鎖.淺埋兩硬煤層綜放面支承壓力分布規(guī)律研究〔J〕.煤礦開采，2014，19（3）：108－110.