青龍寺煤礦高效工作面礦壓規(guī)律實(shí)測(cè)研究

高治洲

(榆林神華能源有限責(zé)任公司青龍寺煤礦分公司，陜西 府谷 719400)

0 引言

陜北榆神府礦區(qū)的開采實(shí)踐證實(shí)，地表厚松散層淺埋煤層高效工作面開采支架需要很大阻力才能抵抗上覆巖層施加的載荷，并有效防止工作面發(fā)生切頂?shù)葹?zāi)害[1-3]。綜采工作面采用液壓支架對(duì)于預(yù)防頂板事故與傳統(tǒng)的支護(hù)相比較非?？煽?，但這種可靠性是需要保證綜采工作面采用液壓支架良好運(yùn)行才能實(shí)現(xiàn)，否則就保證不了工作面高產(chǎn)高效，也保證不了安全生產(chǎn)[4-6]。青龍寺煤礦屬于厚土層覆蓋的淺埋煤層，但青龍寺煤礦的煤層賦存地質(zhì)條件、開采技術(shù)條件、工作面管理等方面與附近其他煤礦存在著較大差異，如果生搬硬套地借鑒或者使用他們的礦壓規(guī)律，將會(huì)在工作面頂板管理方面存在一定的安全隱患，保證不了礦井高效安全生產(chǎn)，可能導(dǎo)致一些安全事故，進(jìn)而造成一定的安全和經(jīng)濟(jì)損失[7-9]。因此，需要對(duì)青龍寺煤礦高效工作面上的礦壓規(guī)律與其特殊的地質(zhì)條件進(jìn)行結(jié)合研究，才能制定出合理可行的工作面頂板管理方法和措施。

1 礦壓實(shí)測(cè)方案

1.1 工作面概況

青龍寺煤礦520101工作面沿煤層傾向布置，工作面回風(fēng)巷長(zhǎng)3 703.3 m，寬5.1 m，高2.68 m；520102工作面回風(fēng)巷長(zhǎng)3 698.6 m，寬5.1 m，高2.88 m；工作面煤層以半暗煤為主，硬度中等，平坦?fàn)罴半A梯狀斷口，層狀結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育，煤層中部夾有一層厚度平均在0.17 m的夾矸，主要為砂質(zhì)泥巖，局部為泥巖；煤層厚度平均為1.25～2.3 m。5-2煤層為一個(gè)寬緩的傾向SW的單斜構(gòu)造，傾角1°左右。工作面采用傾向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤，全部垮落法管理頂板的采煤方法。工作面老頂為中粒砂巖，厚度27.92～50.86 m，巖性為灰白色，層狀構(gòu)造，成分以石英、長(zhǎng)石為主，泥質(zhì)膠結(jié)為主，局部鈣質(zhì)膠結(jié)，中粒砂巖與粉砂巖互層，偶夾煤線。直接頂為粉砂巖厚度 1.31～5.67 m，巖性為灰-灰白色，薄層狀，水平層理，夾有細(xì)砂巖、泥巖或炭屑薄層，層面見植物化石碎片。直接底為粉砂巖，厚度4.80～13.55 m，巖性為灰白色，薄層狀，發(fā)育水平層理、波狀層理及小型交錯(cuò)層理，頂部夾有砂質(zhì)泥巖薄層，含白云母碎片及炭屑。520101工作面采用綜采長(zhǎng)壁采煤法，全部冒落法管理頂板，工作面長(zhǎng)度300 m，采高2.38 m，工作面頂板支護(hù)配套使用176臺(tái)ZY8800/15/28D掩護(hù)式液壓支架，支護(hù)高度1.5～2.8 m，工作阻力為8 800 kN，支架寬度為1.75 m。

1.2 觀測(cè)站布置

沿工作面線長(zhǎng)方向布置3個(gè)測(cè)站，工作面線長(zhǎng)方向?yàn)?00 m，第1個(gè)測(cè)站和第3個(gè)測(cè)站設(shè)計(jì)的位置靠工作面上下端頭，距離工作面上下運(yùn)輸順巷道以及回風(fēng)巷道的大概距離在30 m。第2個(gè)測(cè)站設(shè)計(jì)布置在工作面的中部附近，距離第1和第3個(gè)測(cè)站的距離在120 m附近。監(jiān)測(cè)工作面支護(hù)質(zhì)量，總體監(jiān)測(cè)布置設(shè)計(jì)如圖1所示。工作面上下兩巷道內(nèi)各測(cè)站隨工作推進(jìn)循環(huán)調(diào)整，保證兩巷道內(nèi)測(cè)站一直有2個(gè)。在工作面上下巷道內(nèi)各布置2個(gè)超前壓力分布規(guī)律的測(cè)站A1、A2和B1、B2，超前壓力分布規(guī)律的測(cè)站間距在10 m左右。同時(shí)在兩間隔的超前壓力分布規(guī)律的測(cè)站附近設(shè)計(jì)2個(gè)巷道表面收斂變形觀測(cè)站A11、A21和B11、B21，表面收斂變形觀測(cè)站間距在20 m左右。順槽內(nèi)各測(cè)站隨工作推進(jìn)不斷循環(huán)布設(shè)，保證兩巷道內(nèi)測(cè)站的一直有兩個(gè)。通過監(jiān)測(cè)工作面支護(hù)阻力與工作面推進(jìn)過程的關(guān)系，總結(jié)支架工作阻力在采動(dòng)過程中的變化規(guī)律，為該礦相鄰工作面開采采場(chǎng)頂板管理提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

圖1 監(jiān)測(cè)布置圖

2 工作面觀測(cè)結(jié)果分析

2.1 支架阻力分析指標(biāo)

通過30 d左右的礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，工作面在觀測(cè)期間共向前推進(jìn)200 m，共有7次周期來壓。觀測(cè)期間，數(shù)據(jù)采集采用在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基本上實(shí)現(xiàn)了支架上阻力的連續(xù)記錄。工作面來壓期間壓力變化較明顯，來壓顯現(xiàn)顯著。在對(duì)數(shù)據(jù)處理時(shí)以支架阻力加權(quán)阻力與其均方差之和為判斷來壓的主要指標(biāo)，其數(shù)據(jù)計(jì)算的公式為[7]：

(1)

式中：Pt—加權(quán)阻力：Pi—轉(zhuǎn)折點(diǎn)阻力值。

(2)

來壓依據(jù)：PL=Pj+σpt

動(dòng)載系數(shù)：K=Pz/Pf

式中：Pz—來壓期間平均工作阻力；Pf—非來壓期間平均工作阻力。

2.2 區(qū)域壓力分布分析

工作面支護(hù)阻力與推進(jìn)距離關(guān)系如圖2所示，工作面來壓特征見表1。

可以看出，工作面上部支架運(yùn)行比較平穩(wěn)，支架平均工作阻力在非來壓與來壓期間變化不是很大，工作面中部支架的平均工作阻力具有明顯的周期變化特征，工作面下部支架的平均工作阻力也有一定的周期變化特征但不明顯。綜合工作面上、中、下部支架平均工作阻力可知，在整個(gè)工作面采集的數(shù)據(jù)表明支架的工作阻力大多數(shù)都是比較低的，這說明在開采過程中工作面的頂板運(yùn)動(dòng)比較緩慢，該首采工作面來壓強(qiáng)度也相對(duì)比較小。在工作面開采過程中以老頂?shù)某醮纹茢喔浇鼮榻缇€，到開切眼一段距離的支架工作阻力都要比老頂?shù)某醮纹茢嗪蟮闹Ъ芄ぷ髯枇σ?。這也反映出老頂初次破斷前的工作面礦壓體現(xiàn)不明顯，而工作面進(jìn)入正常開采后，隨著開采范圍的擴(kuò)大頂板運(yùn)動(dòng)進(jìn)入活躍階段，這也使得工作面支架上工作阻力有一定的體現(xiàn)。

圖2 工作面支護(hù)阻力與推進(jìn)距離關(guān)系

工作面來壓次數(shù)來壓步距/m推進(jìn)距離/m平均載荷/MPa最大平均載荷/MPa基本頂初次來壓606028.735.3周期來壓(1)187830.638.1周期來壓(2)169433.137.2周期來壓(3)2411831.033.4周期來壓(4)2013826.933.5周期來壓(5)2216027.135.2周期來壓(6)1717727.635.1周期來壓(7)1919628.036.3

觀測(cè)表明,工作面最大周期來壓步距為24 m，最小值為16 m，平均步距為19.4 m，來壓期間支架工作阻力平均值為35.5 MPa，非來壓期間工作面支架平均阻力29.1 MPa。支架實(shí)際工作阻力不高，并且周期來壓步距隨工作面推進(jìn)速度提高而增加。

2.3 支架運(yùn)行特性

隨工作面的推進(jìn)，在每個(gè)循環(huán)周期內(nèi)支架阻力的大小均會(huì)受到移架人員操作水平、采場(chǎng)支護(hù)效果和煤層地質(zhì)起伏變化的影響而有所變化，而且沿著傾斜方向工作面在不同位置處支架阻力也有差異。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，真實(shí)地反映了520101工作面頂板的壓力的大小、支架與圍巖的相互作用關(guān)系以及支架的現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)性能。由于該工作面推進(jìn)速度較快，工人對(duì)支架的操作水平較高，所以只分析支架的工作阻力(初撐力和泵站提供壓力31.5 MPa有關(guān))。實(shí)測(cè)值分析結(jié)果見表2。

表2 支架動(dòng)載系數(shù)

從表2可以看出，工作面老頂來壓時(shí)的動(dòng)載系數(shù)在1.08～1.30之間，平均1.22，來壓強(qiáng)度相對(duì)較低，但能體現(xiàn)出其周期來壓的特征。整個(gè)工作面開采過程中頂板來壓強(qiáng)度都不高，說明該工作面的頂板管理難度也不是很高。

從每天工作阻力曲線分析可以看出某一具體支架在一定時(shí)間內(nèi)的支護(hù)情況。總體來看，工作面在支架升架后達(dá)到初撐力，是一個(gè)隨著割煤工藝的進(jìn)行阻力而不斷增加的過程。根據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，有的支架阻力在升架的時(shí)候能按照要求達(dá)到額定的初撐力，這壓力值一般還比較大，但隨著時(shí)間的推移支架的阻力沒有增加反而減小，說明支架有漏液的可能性存在。還有個(gè)別支架的工作阻力值變化頻繁，而還有個(gè)別支架的工作阻力一直保持不變。這都反映出支架在整個(gè)工作面推進(jìn)的過程中運(yùn)行波動(dòng)比較大。在工作面推進(jìn)的觀測(cè)過程中，通過支架不同時(shí)期的阻力統(tǒng)計(jì)分析，獲得了支架總體初撐力分布頻率和工作阻力分布頻率，具體如圖3和圖4所示。由圖3、4可知，設(shè)計(jì)的初撐力達(dá)到額定的31.5 MPa的架次只占到測(cè)試架次的8%，說明支架的初撐力遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)值。

圖3 初撐力分布頻率

圖4 工作阻力分布頻率

工作阻力大于額定初撐力31.5 MPa的在統(tǒng)計(jì)分析中僅僅占到測(cè)試架次的33%，工作阻力達(dá)到設(shè)計(jì)額定工作阻力44.2 MPa的在統(tǒng)計(jì)分析中僅僅占到測(cè)試架次的8%，并且在工作面沒來壓的時(shí)候大部分支架都在設(shè)計(jì)的初撐力以下，達(dá)到額定工作阻力的數(shù)據(jù)基本都是在頂板活動(dòng)劇烈的來壓期間。

3 巷道觀測(cè)分析

工作面上下巷道為矩形巷道，采用錨網(wǎng)梁支護(hù)。工作面上下巷道表面收斂變形與工作面推進(jìn)的位置關(guān)系見圖5,這表明，巷道表面收斂變形速度的變化規(guī)律與工作面頂板的運(yùn)動(dòng)具有一定相關(guān)性，總體來看巷道表面收斂變形的速度均較低，這說明頂板的來壓強(qiáng)度較低。各巷道內(nèi)測(cè)站的表面收斂變形較小，巷道的頂?shù)装寤蛳锏赖膬蓭妥畲笞冃螢?1 mm。結(jié)合礦壓觀測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)，綜合考慮巷道支護(hù)質(zhì)量和安全等因素，工作面上下巷道目前的支護(hù)方式相對(duì)較安全，在工作面推進(jìn)過程中對(duì)巷道的擾動(dòng)較小。分析工作面上下巷道表面收斂變形的情況可以看出，巷道頂?shù)装遄冃尾⒉慌c觀測(cè)的距離之間成正比，與巷道掘進(jìn)施工的變化規(guī)律有很大差異。

圖5 頂?shù)装逡平c推進(jìn)關(guān)系

超前支撐壓力的觀測(cè)結(jié)果見圖6，在工作面發(fā)生來壓時(shí)，超前支撐壓力變化明顯，也就是超前支撐壓力的變化斜率要比平時(shí)大。從總體變化趨勢(shì)來看，其規(guī)律是距離工作面的位置越近，工作面超前支撐壓力的增加也越快，根據(jù)超前支撐壓力變化規(guī)律與工作面的位置關(guān)系，可用來預(yù)報(bào)工作面發(fā)生來壓的可能性。觀測(cè)期間由于儀表的安裝造成單體支柱的卸壓，初始測(cè)得的壓力都比較低，但不管是回風(fēng)還是運(yùn)輸順槽的頂?shù)讞l件都比較好，最終沒有影響其變化規(guī)律的總結(jié)。工作面上下巷道觀測(cè)表明，工作面的超前支撐壓力峰值距離工作面前方4～6 m，其影響的距離可達(dá)前方未采動(dòng)區(qū)域24 m。

圖6 超前支撐壓力分布規(guī)律

4 結(jié)論

(1)青龍寺煤礦高效工作面支架工作阻力比較低，老頂來壓時(shí)的動(dòng)載系數(shù)和來壓強(qiáng)度較低，來壓顯現(xiàn)強(qiáng)度與工作面推進(jìn)速度和工作面所處地質(zhì)條件均有關(guān)系。在以后的工作面開采中還需要進(jìn)行支護(hù)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，以確保不同條件下工作面的支護(hù)效果和生產(chǎn)安全。

(2)工作面上下巷道的表面收斂變形都比較小，巷道圍巖表面收斂變形規(guī)律與頂板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有一定相關(guān)性，主要體現(xiàn)在不同超前支撐壓力導(dǎo)致不同的變形量上，處在距離工作面10～20 m范圍內(nèi)；由于超前支架的支護(hù)作用，變形速率變緩，巷道支護(hù)方式較安全，工作面的采動(dòng)對(duì)它的擾動(dòng)較小。