孤島面復(fù)合頂板采場礦壓規(guī)律探討

王新翔

(霍州煤電集團(tuán) 晉南煤業(yè)公司，山西　河津　043300)

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·問題探討·

孤島面復(fù)合頂板采場礦壓規(guī)律探討

王新翔

(霍州煤電集團(tuán) 晉南煤業(yè)公司，山西河津043300)

以霍州煤電三交河煤礦2-508孤島工作面為工程背景，結(jié)合工作面復(fù)合頂板特性及來壓步距理論計(jì)算，對(duì)其進(jìn)行礦壓顯現(xiàn)實(shí)測。結(jié)果表明，孤島工作面沿走向頂板來壓步距差異較大；沿傾向支架壓力具有區(qū)段效應(yīng)，可劃分為上下端頭壓力遞增區(qū)，中部壓力波動(dòng)平衡區(qū)。研究結(jié)果可為類似復(fù)合頂板管理提供理論依據(jù)。

孤島面；復(fù)合頂板；礦壓；區(qū)段效應(yīng)

眾所周知，孤島工作面與非孤島工作面相比，開采期間礦壓顯現(xiàn)劇烈，巷道圍巖變形嚴(yán)重，甚至可能產(chǎn)生沖擊地壓現(xiàn)象，而復(fù)合頂板控制不當(dāng)，容易出現(xiàn)離層、冒落，頂板往往難以形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)。孤島工作面復(fù)合頂板礦壓規(guī)律、超前及采場頂板控制方式等一直是影響孤島面快速安全生產(chǎn)的難題。

霍州煤電三交河煤礦可采煤層包括：2#、10#、11#煤層，2#煤層頂板為復(fù)合頂板，巖層柱狀圖見圖1.為研究2#煤層復(fù)合頂板礦壓顯現(xiàn)特性，掌握孤島工作面來壓及支架工作阻力變化規(guī)律，對(duì)三交河煤礦2-508孤島工作面進(jìn)行了礦壓實(shí)測研究。

1　地質(zhì)概況及生產(chǎn)技術(shù)條件

1.1地質(zhì)概況

2-508為三交河煤礦五采區(qū)工作面，所采煤層為山西組上部2#煤層，煤層平均埋深200 m，2#煤層2-506、2-512工作面均已回采，2-508工作面屬孤島工作面，工作面推進(jìn)長度1 798 m，傾斜長度3 145 m，煤層平均厚度為4.68 m，工作面上覆基巖厚75～290 m. 2#煤層直接頂為泥巖，平均厚度4.5 m，f=2.6，老頂為K8中砂巖,平均厚度3～13 m，f=8.6，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖,f=2.6.

1.2生產(chǎn)技術(shù)條件

2-508工作面為兩巷布置，正副巷斷面為：5.1 m×3.8 m，采用錨網(wǎng)索(梁)支護(hù)方式，工作面安裝ZY13000-26/55型液壓支架184架，超前支護(hù)采用超前液壓支架配合單體支柱及π梁支護(hù)形式，2-508工作面采用一次采全厚綜合機(jī)械化采煤方法，采空區(qū)采用全部垮落法處理。

2　礦壓研究方法

采用KJ216型煤礦頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)2-508工作面支架壓力進(jìn)行在線監(jiān)測，工作面共設(shè)置上、中、下3個(gè)測區(qū)，用于觀測孤島工作面液壓支架工作阻力變化情況，結(jié)合來壓步距理論計(jì)算，分析復(fù)合頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，評(píng)價(jià)現(xiàn)行實(shí)際液壓支架阻力分布狀態(tài)能否滿足頂板支護(hù)要求等。每個(gè)測區(qū)共布置5條測線，共15條測線，見圖2.

各個(gè)支架工作阻力值連續(xù)自動(dòng)記錄在儀表中，隔2～4天讀取1次數(shù)據(jù)，井上下及時(shí)整理立柱工作阻力數(shù)值。分析數(shù)據(jù)選取時(shí)間為2014年6月1日—2014年6月20日， 此段時(shí)間內(nèi)工作面正巷從13#點(diǎn)前12.6 m,推進(jìn)至11#點(diǎn)前23.1 m；副巷從16#點(diǎn)前35.8 m,推進(jìn)至14#點(diǎn)前48.9 m，工作面累計(jì)推進(jìn) 108 m.

圖1　2#煤巖層柱狀圖

圖2　2-508工作面支架支護(hù)阻力測區(qū)布置示意圖

3　礦壓規(guī)律分析

3.1來壓步距理論計(jì)算

將老頂看做懸臂梁計(jì)算老頂周期來壓步距，計(jì)算公式如下[1-2]:

式中：

RT—老頂抗拉強(qiáng)度，MPa,取8.6；

h—老頂厚度，m,取7；

λ—老頂容重，kg/m3，取2.52×103;

q—單位面積老頂載荷，kg/m2，q=h×λ=17.64；

代入數(shù)值得出2-508工作面來壓步距L=17.84 m.

3.2周期來壓實(shí)測分析

式中：

p′—判定頂板來壓的工作阻力，kN；

σp—支護(hù)阻力均方差。

2-508工作面不同測區(qū)頂板周期來壓統(tǒng)計(jì)情況見表1.

表1　各測區(qū)2014年頂板周期來壓情況統(tǒng)計(jì)表

3.3工作面走向礦壓分布規(guī)律

1) 2-508工作面不同測區(qū)液壓支架受力曲線見圖3～5：

由圖3～5可知：a) 2-508回采面上部測區(qū)：來壓步距為13.6 m.工作面來壓時(shí)上部測區(qū)支架阻力最大為6 545 kN，最小為200 kN，平均為3 372.5 kN；支架動(dòng)載系數(shù)平均為1.36.

圖3　2-508回采面上部測區(qū)支架受力曲線圖

圖4　2-508回采面中部測區(qū)支架受力曲線圖

圖5　2-508回采面下部測區(qū)支架受力曲線圖

b) 2-508回采面中部測區(qū)：來壓步距為14.5 m.工作面來壓時(shí)中部測區(qū)支架阻力最大為8 500 kN，最小為160.5 kN，平均為4 330.25 kN；支架動(dòng)載系數(shù)平均為1.52.

c) 2-508回采面下部測區(qū)：來壓步距為15.2 m.工作面來壓時(shí)下部測區(qū)支架阻力最大為7 800 kN，最小為146.5 kN，平均為3 973.25 kN；支架動(dòng)載系數(shù)平均為1.39.

2) 分析可知：

a) 工作面上、中、下測區(qū)頂板來壓步距平均為13.68 m；頂板來壓時(shí)間不同步，其中上部測區(qū)來壓時(shí)間最早，中部次之，下部最后，2-508孤島工作面表現(xiàn)為局部來壓遷移特征[4].

b) 2-508孤島工作面來壓期間，支架工作阻力最大為8 500 kN，最小為160.5 kN，平均為4 330.25 kN；支架動(dòng)載系數(shù)平均為1.52.

3.4工作面傾向礦壓分布規(guī)律

根據(jù)2-508工作面支架實(shí)測數(shù)據(jù),并以機(jī)頭至機(jī)尾測站支架為橫座標(biāo), 以支架載荷P為縱坐標(biāo),支架載荷為6月1日—15日平均值,繪出工作面傾向支架平均工作阻力分布曲線圖，見圖6.

圖6　工作面傾向支架平均工作阻力分布曲線圖

由圖6可知: 工作面中部支柱載荷最大為5 600 kN(28 MPa),比機(jī)頭支架2 800 kN(14 MPa)高出50%，比機(jī)尾支架3 000 kN高出46%；工作面上端頭60 m范圍內(nèi)壓力由15 MPa增至25 MPa，增幅為0.16 MPa/m，之后7.5 m范圍內(nèi)迅速降至13 MPa,降幅達(dá)1.6 MPa/m；工作面下端頭22.5 m范圍內(nèi)壓力由14 MPa增至18 MPa，增幅為0.17 MPa/m，之后7.5 m范圍內(nèi)迅速降至13 MPa,降幅達(dá)0.6 MPa/m；工作面中部支架壓力出現(xiàn)波動(dòng)性變化，變化為22～28 MPa.

分析可知：2-508孤島工作面沿傾向的壓力變化可劃分為3個(gè)區(qū)域：上端頭壓力遞增區(qū)，工作面壓力波動(dòng)平衡區(qū)，下端頭壓力遞增區(qū)；兩端頭呈近似拋物線形分布,中部支架壓力最大。

4　結(jié)　論

1) 2-508孤島工作面復(fù)合頂板來壓步距平均為13.68 m，支架工作阻力最大為8 500 kN，最小為160.5 kN，平均為4 330.25 kN，動(dòng)載系數(shù)平均為1.52.來壓期間表現(xiàn)為來壓時(shí)間不同步，上部測區(qū)來壓時(shí)間最早，中部次之，下部最后。

2) 孤島工作面沿傾向的壓力變化可劃分為3個(gè)區(qū)域：上端頭壓力遞增區(qū)，工作面壓力波動(dòng)平衡區(qū)，下端頭壓力遞增區(qū)；兩端頭呈近似拋物線形分布,中部支架壓力最大。

[1]錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及其控制[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1996：24-26.

[2]李國彪.三交河煤礦巷道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)測試研究[J].中國礦業(yè)，2012(5):84-87.

[3]石建軍．淺埋深中厚煤層采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(4):31-35.

[4]蘇學(xué)貴．高位復(fù)合頂板綜采面礦壓規(guī)律研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(6):628-629.

Study on Stope Mine Pressure Law of Composite Roof in Insular Face

WANG Xinxiang

Huozhou coal electricity group Sanjiaohe coal mine 2-508 isolated working face is as the engineering background. Combines with the working face composite roof features and weighting length theoretical calculation to actual measure the strata pressure behaviors. It turned out that there are large differences of roof weighting length along the strike in isolated working face. The support pressure has section effect along the tendency, and it is divided into increasing pressure zone on the both ends, and pressure fluctuation balance area in central section. The research results can provide the theoretical basis for similar complex roof management.

Isolated working face; Composite roof; Mine pressure; Section effect

2016-02-23

王新翔(1987—)，男，山西運(yùn)城人，2010年畢業(yè)于山西大同大學(xué)，助理工程師，主要從事采礦工程相關(guān)工作(E-mail)450934480@qq.com

TD323

A

1672-0652(2016)03-0053-04