五溝煤礦三采區(qū)10煤首采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

摘 要：我國是一個煤炭生產(chǎn)大國，在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭占70%以上。綜合機(jī)械化采煤以其安全高效、掘進(jìn)率低、成本低、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，已作為我國主要采煤方法之一，經(jīng)過多年的發(fā)展，其開采技術(shù)日益成熟。但由于工程地質(zhì)條件的隨機(jī)性，不同地質(zhì)條件下綜采工作面采場礦壓顯現(xiàn)及控制、覆巖運(yùn)動都有新的特點(diǎn)，因此在支架——圍巖系統(tǒng)控制和頂板管理等方面有自身的一些要求。而面臨這些新問題，解決的方法主要是依靠經(jīng)驗(yàn)類比法，缺乏科學(xué)的指導(dǎo)，往往會導(dǎo)致工作面支架選型不合理、頂板難于管理、圍巖難以控制等影響生產(chǎn)的安全問題。通過綜合研究相應(yīng)地質(zhì)條件下的綜采采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對豐富綜采采場圍巖控制理論有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：頂板動態(tài)監(jiān)測；頂板來壓；表面位移

1 立項(xiàng)背景

五溝煤礦是安徽恒源煤電股份有限公司所屬主力礦井之一。2008年9月投產(chǎn)，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力60萬噸，2009年經(jīng)核定年生產(chǎn)能力為150萬噸。五溝煤礦礦井內(nèi)共含10個煤層（組）計(jì)18～27層煤，可采煤層有31、51、52、71、72、81、82和102計(jì)8層，煤層平均總厚15.27m，其中72、81、82和102煤為主要可采煤層，平均總厚10.69m，占可采煤層平均總厚的70.0%。井田被F3、F14、F6、F9斷層切割為三大塊，根據(jù)煤層賦存情況、塊段走向長度及開采方式，共劃分五個采區(qū)：南翼F14斷層至F6斷層為一采區(qū)，F(xiàn)6斷層至F9斷層二采區(qū)和二上采區(qū)，F(xiàn)3斷層以北至礦井邊界為三采區(qū)和三上采區(qū)。

1031工作面是三采區(qū)首采面，采用傾斜長壁綜合機(jī)械化回采，工作面煤層平均厚度平均4.0m，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。因此針對該工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，開展大采高綜采采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究，采用現(xiàn)場實(shí)測、理論分析等研究方法，以準(zhǔn)確掌握該地質(zhì)條件下的采場礦壓顯現(xiàn)和支架變化規(guī)律，為采煤工作面頂板管理、巷道的超前支護(hù)和綜采支架的合理選型提供依據(jù)，以保證首采面安全回采和正常生產(chǎn)，減少頂板事故，提高礦井煤炭資源采出率，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。研究成果為今后類似條件下工作面的安全生產(chǎn)、工作面支架選型、圍巖控制和頂板管理提供依據(jù)。

2 研究內(nèi)容與方法

2.1 研究的主要內(nèi)容

（1）工作面頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究。對工作面支架壓力和工作阻力進(jìn)行觀測，分析和掌握頂板來壓規(guī)律（直接頂初次垮落步距、初次來壓步距和周期來壓步距），為工作面安全高效開采提供保障。（2）工作面超前支承壓力分布規(guī)律研究。研究支承壓力影響范圍、支承壓力分區(qū)、支承壓力集中系數(shù)K值及兩巷圍巖受力變形規(guī)律，為回采巷道支護(hù)形式選擇和支護(hù)參數(shù)科學(xué)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。（3）工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ植家?guī)律研究，為相鄰工作面巷道布置設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2.2 研究方法與技術(shù)路線

通過現(xiàn)場實(shí)測和理論分析的方法對1031工作面回采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究，掌握傾斜長壁回采工作面礦壓顯現(xiàn)和支架變化規(guī)律。采用的技術(shù)路線如圖1所示。

3 技術(shù)開采條件

3.1 工作面巷道布置

工作面跟頂回采，1031工作面機(jī)巷可采走向長1411m，風(fēng)巷可采走向長1411m，1#切眼長88m，2#切眼長178m。風(fēng)巷采用錨網(wǎng)帶索聯(lián)合支護(hù)時，巷道斷面為斜矩形，巷道斷面規(guī)格：B（凈）×H（凈）=4.6×2.9m，S凈=13.3m2，S掘=14.9m2。架29U型鋼梯形棚規(guī)格：B（腰扎）×H（凈）=4.5×2.7m，S凈=13.7m2，S掘=15m2。機(jī)巷采用錨網(wǎng)帶索聯(lián)合支護(hù)時，巷道斷面為斜矩形，巷道斷面規(guī)格：B（凈）×H（凈）=4800×3400mm，S凈=16.32m2，S掘=17.5m2。架29U型鋼梯形棚支護(hù)時，巷道斷面規(guī)格：B（腰扎）×H（凈）=4800×3400mm，S凈=17.8m2，S掘=19.8m2。

3.2 采煤工藝

根據(jù)煤層賦存條件，現(xiàn)有裝備和技術(shù)管理水平等因素，1031工作面采用傾斜長壁、綜合機(jī)械化采煤工藝。工作面煤層厚度在1.6m～5.4m，平均3.8m，煤層傾角為3～16°，平均傾角8°。雙向住返割煤，采用端頭斜切進(jìn)刀方式進(jìn)刀，工藝順序?yàn)椴擅簷C(jī)割煤→運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤→移架支護(hù)頂板。

（1）采用MG400/920-QWD型雙滾筒采煤機(jī)落煤。（2）采用采煤機(jī)組上下滾筒割、裝煤和運(yùn)輸機(jī)前移配合裝運(yùn)底板煤。（3）工作面采用SGZ800/2×400型中雙鏈刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤，機(jī)巷用橋式轉(zhuǎn)載機(jī)（型號為SZZ800/250）、皮帶機(jī)（型號為DSJ-1200/2×400）運(yùn)煤。（4）雙滾筒采煤機(jī)割煤，采高2.24～4.48m，割煤深度為0.6m，采煤機(jī)正常割煤采用前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤的方式；改變采煤機(jī)割煤方向時，將滾筒的上、下位置調(diào)換。（5）采用ZY7600-24/50型兩柱式液壓支架支護(hù)頂板，全部垮落法處理采空區(qū)。

4 1031工作面礦壓觀測方案

4.1 觀測目的和任務(wù)

1031工作面為三采區(qū)首采工作面。在1031工作面生產(chǎn)的同時，對由工作面開采過程中產(chǎn)生的礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行觀測，分析和掌握其頂板運(yùn)動規(guī)律、頂板與支架的相互作用關(guān)系、采動對巷道變形的影響，指導(dǎo)工作面的正常和安全生產(chǎn)，并為以后其它工作面的生產(chǎn)、支架的選型和改進(jìn)、規(guī)程和措施的制定提供堅(jiān)實(shí)的依據(jù)。本次礦壓觀測的目的和任務(wù)為：（1）揭示三采區(qū)首采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，完善相應(yīng)開采技術(shù)及支護(hù)措施。（2）分析工作面液壓支架適應(yīng)性，為該礦其他工作面提供參考依據(jù)。（3）分析回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律：包括巷道圍巖表面位移、超前支護(hù)壓力等。

在1031工作面開采過程中通過實(shí)施頂板動態(tài)監(jiān)測，掌握工作面的來壓步距和來壓強(qiáng)度，分析工作面支架的適應(yīng)性，為五溝煤礦其它工作面的頂板管理與支架選型及支護(hù)參數(shù)確定提供依據(jù)，確保對頂板的有效控制，保證工作面安全高效回采。

4.2 觀測內(nèi)容

1031工作面礦壓觀測的主要內(nèi)容有：（1）工作面液壓支架支護(hù)阻力的測定，包括支架的初撐力和最大工作阻力；（2）工作面兩巷圍巖移動量的觀測，包括兩幫移近量和頂?shù)装逡平?；?）工作面兩巷深部位移觀測；（4）工作面礦壓顯現(xiàn)宏觀現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)觀測；（5）工作面安全閥開啟率統(tǒng)計(jì)觀測。

4.3 測站布置與觀測方法

4.3.1 工作面支架壓力觀測

在1#切眼后工作面上部、中部和下部支架建立3個觀測站，工作面接長后2#切眼工作面設(shè)2個觀測站，每站設(shè)2條觀測線，在所觀測的支架的立柱上安裝YHY60（B）型礦用數(shù)字壓力計(jì)，用Fch2G/1型礦用壓力數(shù)據(jù)采集儀對數(shù)字壓力計(jì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后在地面輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

4.3.2 立柱下縮量觀測

在來壓期間對觀測支架的立柱循環(huán)下縮量進(jìn)行觀測。采用標(biāo)點(diǎn)法用鋼直尺測讀。

4.3.3 工作面統(tǒng)計(jì)觀測

（1）煤壁片幫統(tǒng)計(jì)；（2）安全閥開啟統(tǒng)計(jì)；（3）頂板冒落狀況統(tǒng)計(jì)。

4.3.4 巷道表面位移

在工作面的運(yùn)輸巷和軌道巷內(nèi)，設(shè)立3個位移觀測站，1#測站距切眼20～40m，2#測站距切眼80～100m，3#測站距切眼140～160m。每測站設(shè)5個觀測斷面，采用十字布點(diǎn)法，用測桿和鋼卷尺進(jìn)行測讀，觀測采動對巷道變形的影響。

4.3.5 巷道深部位移

在巷道160m測站兩側(cè)煤體打深鉆孔，安設(shè)2個深部多點(diǎn)位移計(jì)，觀測兩幫深部位移情況。

4.3.6 單體測壓柱

在切眼前方兩巷內(nèi)80m、180m處設(shè)立液壓單體測壓柱，測壓單體必須獨(dú)立設(shè)置，不受挑棚、拉架等工序影響。

5 觀測儀器儀表

工作面支架工作阻力觀測采用尤洛卡公司生產(chǎn)的YHY-60型液壓支架壓力記錄儀（采集型），連續(xù)記錄監(jiān)測支架工作狀況。該記錄儀能監(jiān)測液壓支架壓力數(shù)據(jù)并及時存儲壓力數(shù)據(jù)，可調(diào)節(jié)采樣周期，觀測的數(shù)據(jù)可儲存到記錄儀里，并由Fch2G/1型紅外采集器采集數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)方便、完整，如圖2所示。

系統(tǒng)組成如圖3所示，該數(shù)字壓力計(jì)具有兩個（或三個）壓力測孔，可同時測量兩個（或三個）測點(diǎn)的壓力，并連續(xù)記錄在壓力計(jì)內(nèi)，一個工作面可布置1～24個分機(jī)，可使用一臺數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集器攜帶至井上后通過數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)自動地傳送到PC 計(jì)算機(jī)處理。

6 頂板分類

6.1 直接頂分類

根據(jù)原煤炭工業(yè)部頒發(fā)的緩傾斜煤層工作面頂板分類方案，采煤工作面直接頂?shù)念悇e按其在開采過程中表現(xiàn)的穩(wěn)定程度，共分四類。依據(jù)的指標(biāo)是直接頂?shù)某醮慰迓洳骄郘。以直接頂?shù)某醮慰迓洳骄郘作為分類指標(biāo)，分為四類，如表1所示。

表1 直接頂分類

6.2 老頂?shù)姆旨?/p>

按直接頂厚度與采高比值 N=∑h/m，并參照老頂初次來壓步距L，將老頂分為四級，如表2所示。

也可采用老頂初次來壓平均當(dāng)量Pe作為分級指標(biāo)。

Pe=241.3ln（L）-15.5N+52.6m

式中， Pe，老頂初次來壓當(dāng)量；

L，老頂初次來壓步距；

N=∑h/m，直接頂厚度與采高之比。

按老頂初次來壓當(dāng)量將老頂分四級，如表3所示。

表3 老頂分級指標(biāo)

1031工作面直接頂為致密泥巖，初次垮落步距為13.7～18m，屬兩類中等穩(wěn)定直接頂。

老頂來壓當(dāng)量Pe=241.3ln（32）-15.5*2.87+52.6*4=1002.2

式中，取L=32m；N=11.5/4=2.875；M=4

計(jì)算結(jié)果，老頂屬來壓明顯的Ⅱ級，若采高增大，直接頂變薄來壓顯現(xiàn)等級接近Ⅲ級。

7 結(jié)論與建議

7.1 主要結(jié)論

本項(xiàng)目針對五溝煤礦1031工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用現(xiàn)場實(shí)測、理論分析等研究方法，對工作面及其兩巷礦壓特征進(jìn)行研究，得到如下主要結(jié)論：

（1）在切眼采用高強(qiáng)錨梁網(wǎng)和錨索支護(hù)的條件下，直接頂初次垮落步距14～18m，直接頂屬兩類頂板；基本頂初次來壓步距，1#切眼面為32m，2#切眼面為30.4m；周期來壓步距為11～14.5m之間，屬于來壓明顯的Ⅱ級和Ⅲ級老頂。

（2）初次來壓時，安全閥開啟率達(dá)25%，過2#切眼聯(lián)絡(luò)巷時，支架連續(xù)13個循環(huán)出現(xiàn)安全閥大面積開啟，顯示強(qiáng)烈的來壓現(xiàn)象，動載系數(shù)大于1.6。支架的初撐力偏低，在理論值的21%～35%之間，尤其是工作面中部初撐力分布不合理；支架平均末阻力是支架額定工作阻力36%～55%，這說明支架的工作阻力有富裕。

（3）兩柱式支架同樣存在左右立柱受載不均勻現(xiàn)象，約有21%～25%兩柱工作阻力不相等。來壓時，工作面支架總體安全閥開啟率達(dá)25%；正常開采階段中部支架的單柱循環(huán)開啟率達(dá)16%，兩端支架單柱開啟率在5%左右。說明支架的工況良好，支架的支撐能力得到較好利用，支架選型合理。

（4）由巷道的表面位移及深部位移分析結(jié)果表明，采動超前支承壓力的影響范圍在工作面前方40m，顯著影響范圍在工作面前方18m以內(nèi)，目前的超前支護(hù)距離合理。 巷道煤幫的松動范圍大于1m小于2.5m；工作面超前支承壓力的峰值在煤幫前方7m左右，即煤體的塑性區(qū)范圍為7m，可以作為區(qū)段煤柱留設(shè)的依據(jù)。

7.2 建議

7.2.1 目前回采階段，工作面采高在3.5m以上，傾角在10°左右，工作面支架的工作狀況良好，有效地發(fā)揮了支架的控頂作用。但是隨著工作面向前推進(jìn)，煤層的傾角會增大到16°，如果煤層的采高降低，支架掩護(hù)梁會出現(xiàn)嚴(yán)重背矸現(xiàn)象，甚至接頂，支架的支撐效率會大大降低，必須引起重視。要通過調(diào)節(jié)平衡千斤頂，適當(dāng)臥底加大支架支撐高度等措施，保證支架的良好工作狀態(tài)。

7.2.2 實(shí)際測定工作面支架的初撐力偏低，由于煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤質(zhì)較硬，煤壁片幫現(xiàn)象不嚴(yán)重。但是工作面接近斷層破碎帶，片幫現(xiàn)象會加重，加大支架初撐力是有效控制片幫措施之一。

7.2.3 目前階段由于采深較淺，巷道變形量和采動超前影響范圍都不大，兩巷的超前支護(hù)較為合適。但隨工作面的推進(jìn)，采深逐漸加大，需要根據(jù)具體情況，調(diào)整超前支護(hù)的范圍。

參考文獻(xiàn)

[1]錢鳴高.礦山壓力與巖層控制[M].北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[2]高延法.礦山巖體力學(xué)[M].北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

作者簡介：陳偉強(qiáng)（1985-），男，五溝煤礦助理工程師，2006年7月畢業(yè)于淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院采礦工程專業(yè)，現(xiàn)從事采煤技術(shù)管理工作。