工作面末采段礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與來(lái)壓增阻速率判斷方法

李良紅　田靈濤　孫中光

（1.國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

工作面末采段礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與來(lái)壓增阻速率判斷方法

李良紅1田靈濤1孫中光2

（1.國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

針對(duì)傳統(tǒng)礦壓判據(jù)中的不足，將長(zhǎng)壁式開采工作面的頂板簡(jiǎn)化為懸臂梁模型，利用頂板的撓曲線方程，得到頂板的撓度增加值隨懸臂長(zhǎng)度L的變化趨勢(shì)和撓度與支架初增阻速度的關(guān)系，將此增阻速率作為頂板來(lái)壓判據(jù)對(duì)察哈素煤礦的末采與貫通進(jìn)行了指導(dǎo)，達(dá)到了預(yù)期效果。

深埋，軟巖，末采，礦壓顯現(xiàn)，增阻速率

1　引言

隨著礦井深度的增加，巷道圍巖應(yīng)力逐漸升高，礦壓顯現(xiàn)越來(lái)越突出［1-2］。 對(duì)于末采貫通技術(shù)要求也越來(lái)越高。為了保證貫通回撤時(shí)不發(fā)生支架壓事故，往往要根據(jù)末采礦壓規(guī)律進(jìn)行等、讓壓措施。末采貫通讓壓技術(shù)就是通過頂板進(jìn)行礦壓觀測(cè)，掌握頂板的周期來(lái)壓規(guī)律，在工作面與主回撤通道貫通前，在工作面推進(jìn)至距離回撤通道一定距離時(shí)，若工作面無(wú)來(lái)壓，則暫時(shí)停止推進(jìn)（停采時(shí)間一般為10 h 左右），等待工作面出現(xiàn)來(lái)壓跡象（一般以支架阻力開始上升，煤壁片幫加劇為標(biāo)準(zhǔn)），再繼續(xù)推進(jìn)直至與主回撤通道貫通。通過調(diào)整工作面推進(jìn)速度，調(diào)節(jié)周期來(lái)壓步距，使得工作面在即將貫通時(shí)出現(xiàn)最后一次周期來(lái)壓，讓老頂壓力得到充分釋放，保證回撤通道上方避開來(lái)壓峰值，同時(shí)新的懸頂面積不足以構(gòu)成一次周期來(lái)壓，從而避免貫通回撤時(shí)頂板來(lái)壓而造成支架被壓死［3-4］。

察哈素煤礦3101工作面為該礦的首采面，為了在貫通時(shí)避開來(lái)壓，對(duì)工作面末采段200m進(jìn)行了礦壓規(guī)律研究，據(jù)此采用等壓措施避開了最后一次來(lái)壓，保證了貫通與回撤的順利進(jìn)行。

2　察哈素工作面概況

察哈素礦井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)，3101 工作面煤層平均厚度6m。煤層傾角1～3°。煤層地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作面走向長(zhǎng)度2503.74m，傾向?qū)挾?00.58m。煤層頂?shù)装鍘r性見表；在頂?shù)装迳洗嬖谀鄮r，為后期的支護(hù)帶來(lái)非常大的困難。

表1　3101采煤工作面末采段頂?shù)装鍘r性明細(xì)表

3　末采礦壓規(guī)律分析

為了分析沿工作面面長(zhǎng)方向不同部位頂板的來(lái)壓規(guī)律、顯現(xiàn)程度以及支架適應(yīng)性，進(jìn)而掌握整個(gè)工作面的壓力分布情況，在工作面安裝重慶研究院生產(chǎn)的KJ693頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)，從工作面推進(jìn)到距離回撤通道200m開始觀測(cè)。

3.1頂板來(lái)壓的傳統(tǒng)方法分析

頂板來(lái)壓分析以支架每天最大（加權(quán)平均）工作阻力的平均值與其均方差之和作為判斷頂板來(lái)壓的主要指標(biāo)。數(shù)據(jù)計(jì)算的公式為：

利用公式1和公式2對(duì)支架阻力曲線進(jìn)行了分析，獲得了3101工作面的周期來(lái)壓情況（表2）。從表1可以看出，周期來(lái)壓布距為18.6m。

表2　觀測(cè)期間周期來(lái)壓步距統(tǒng)計(jì)表（250m～100m）

由表可見，工作面不同位置支架來(lái)壓顯現(xiàn)特征有所不同，工作面上部支架來(lái)壓持續(xù)時(shí)間較短，來(lái)壓次數(shù)少；工作面中部及下部來(lái)壓步距較小，且來(lái)壓持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，有時(shí)甚至持續(xù)一天，來(lái)壓次數(shù)較上部區(qū)域少。

根據(jù)上述周期來(lái)壓規(guī)律可以預(yù)計(jì)工作面的兩次來(lái)壓將發(fā)生在距離回撤通道35m和17m處，貫通期間將發(fā)生周期來(lái)壓，對(duì)貫通及回撤非常不利。因此在工作面推進(jìn)到距離回撤通道還有20m時(shí)，采取等壓措施，將周期來(lái)壓提前，改變來(lái)壓步距。在停采1天后，礦壓顯現(xiàn)劇烈。來(lái)壓后繼續(xù)進(jìn)行正常推進(jìn)，距離回撤通道18m時(shí)開始掛網(wǎng)。

由于工人對(duì)掛網(wǎng)工序不熟悉，導(dǎo)致工作推進(jìn)速度減慢，由原來(lái)的每天推進(jìn)8m變?yōu)槊刻焱七M(jìn)1.6m，速度推進(jìn)緩慢，導(dǎo)致支架礦壓整體顯現(xiàn)不明顯，對(duì)分析周期何時(shí)來(lái)壓造成困難。圖1為工作面距離回撤通道50m內(nèi)的支架阻力曲線。

圖1　支架阻力曲線圖

由圖1可見，對(duì)于3月2號(hào)以后，由于推進(jìn)速度過慢，對(duì)于分析頂板是否來(lái)壓造成困難。為了彌補(bǔ)最大值判據(jù)的缺陷，采用了支架阻力增加速率的方法來(lái)進(jìn)行判別。

3.2頂板來(lái)壓的增阻速率判斷方法

當(dāng)頂板周期性斷裂后，頂板以支架和煤壁為支點(diǎn)，將煤壁前方煤層和直接頂視為彈性地基，則頂板的受力情況可以簡(jiǎn)化為如圖2所示的懸臂梁模型［5-6］。

圖2　頂板受力簡(jiǎn)化圖

隨著采煤機(jī)割煤，基本頂?shù)膽冶垡搽S之增加，頂板會(huì)將撓度的增加值以變形能的形式傳遞給直接頂、支架、底板，頂板傳遞給支架和直接頂與底板的總能量為：

該能量將由直接頂W1、支架W2和底板W3三部分分別以變性能儲(chǔ)存。其中支架存儲(chǔ)的能量W2為：

式中：K2—支架剛度；

y2—支架變形量；

W泵—支架加壓到初撐力時(shí)泵給支架傳遞的彈性能；

支架在支護(hù)過程由于老頂來(lái)壓變形導(dǎo)致的阻力增加速度為：

由公式（5）可知，隨著工作面的推進(jìn)，老頂?shù)膽冶坶L(zhǎng)度L 也隨之加長(zhǎng)，支架上方的整體撓度也會(huì)越大。這將直接導(dǎo)致每次支架移架接頂后△t 時(shí)間內(nèi)頂板傳遞給支架的能量增大，從而間接導(dǎo)致支架阻力增加速度將會(huì)隨著懸臂長(zhǎng)度L 的增加而增加。利用支架接頂后的初增阻指標(biāo)將更加精確的反應(yīng)頂板懸臂的周期性變化情況，從而達(dá)到精確確定頂板周期來(lái)壓步距的目的。

根據(jù)公式（5），對(duì)3101工作面距回撤通道20m內(nèi)的支架阻力進(jìn)行了增阻速率分析，分析發(fā)現(xiàn)3月7日，雖然支架的末阻力均不大，但是出現(xiàn)了明顯的快速增加現(xiàn)象（速率＞100kN/10min），判斷頂板來(lái)壓，此時(shí)距離回撤通道還有8m，建議礦方盡快推進(jìn)，當(dāng)天全班割煤6刀，進(jìn)尺4.7m，距回撤通道還有3.3m。3月8日繼續(xù)推進(jìn)，此時(shí)支架的增阻速率降低，周期來(lái)壓結(jié)束，3月8日晚間正式貫通，沒有出現(xiàn)明顯的壓力現(xiàn)象。直至4月1日整個(gè)工作面回撤完畢，沒有再出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)情況，安全指導(dǎo)了礦方回撤工作。

4　結(jié)論

（1）利用傳統(tǒng)的周期來(lái)壓判據(jù)對(duì)察哈素煤礦3101工作面末采段的礦壓規(guī)律進(jìn)行了分析。隨后由于停采與推進(jìn)速度的變化，導(dǎo)致傳統(tǒng)方法不能有效的進(jìn)行頂板來(lái)壓判斷。

（2）利用支架阻力增加速度的判據(jù)方法對(duì)支架阻力不明顯的情況進(jìn)行了判斷，有效的掌握了頂板的來(lái)壓情況。利用該方法很好的指導(dǎo)了生產(chǎn)，說明了該理論的實(shí)用性。

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TD323

A

1003-5168（2015）11-044-02

李良紅（ 1973- ），男，工程師，主要從事煤礦技術(shù)管理工作。