深部綜放面支架與單體荷載觀測(cè)分析

劉鵬偉

（汾西礦業(yè)集團(tuán)賀西煤礦， 山西 柳林 033300）

1 工程概況

某礦3下01綜采放頂煤工作面北部臨近井田邊界，南部尚未開(kāi)采，東部臨近北徐樓斷層，西面臨近F1斷層。工作面平均寬約87 m，走向長(zhǎng)約788 m，工作面總面積約73 205 m2，煤層標(biāo)高-720.7～-889.2 m。地面標(biāo)高+34.3～+35.5 m，地面無(wú)建筑物體，均為農(nóng)田，對(duì)工作面回采沒(méi)有多大影響。

頂板砂巖平均厚25.2m，底板砂巖平均厚4.46m，裂隙局部發(fā)育，充填方解石脈，區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)漏水點(diǎn)。工作面揭露的斷層落差1.8～15 m，斷層裂隙均被泥巖充填，導(dǎo)水能力差，基本無(wú)水。F1、F5正斷層：兩正斷層富水性較弱，導(dǎo)水性較差，對(duì)工作面的回采影響不大。正常涌水量112.69 m3/h，最大涌水量225.38 m3/h。3下01工作面采用偽傾斜長(zhǎng)壁后退式綜采放頂煤采煤方法，工作面用采煤機(jī)割煤，輕型放頂煤液壓支架支護(hù)，全部垮落法管理頂板。

2 工作面支架荷載分析

2.1 觀測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1.1 觀測(cè)內(nèi)容

通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，測(cè)定在工作面推進(jìn)過(guò)程中液壓支架的工作阻力變化，進(jìn)而分析出工作面的初步來(lái)壓步距及周期來(lái)壓步距。分析工作面液壓支架是否滿足頂板支護(hù)要求[1-2]。

2.1.2 儀器布置

在工作面及順槽內(nèi)共布置5類(lèi)礦壓測(cè)區(qū)，礦壓監(jiān)測(cè)位置示意圖如圖1所示。

2.2 工作面觀測(cè)研究

2.2.1 工作面宏觀顯現(xiàn)

1）直接頂。由現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析可知，工作面從開(kāi)切眼推進(jìn)至12 m左右時(shí)，工作面中部（40～60號(hào)支架）頂板基本冒落；工作面推進(jìn)16.2 m時(shí)，23～60號(hào)支架頂板垮落。從以上數(shù)據(jù)分析看，受到工作面溜頭溜尾推進(jìn)步距不同步的影響，工作面上下端頭的頂板不同步冒落，直接頂?shù)娜靠迓涞木嚯x19.8 m，即為直接頂初次垮落步距。

圖1 礦壓監(jiān)測(cè)位置示意圖

2）老頂。綜放工作面平均推進(jìn)到44.8 m時(shí)，綜放工作面中部出現(xiàn)煤壁片幫，工作面煤炮頻繁發(fā)生，觀測(cè)區(qū)域最大測(cè)定壓力達(dá)到36.8 MPa，可判定此時(shí)老頂初次來(lái)壓。由于工作面采煤高度2.2 m，放煤厚度為4.8 m，直接頂厚度1.6 m左右，由于來(lái)壓期間為保證工作面不受頂板壓力的沖擊，放煤明顯減少，頂煤和直接頂垮落膨脹后充填了采空區(qū)，接實(shí)了老頂，使老頂斷裂持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，頂板以緩慢下沉方式垮落，持續(xù)時(shí)間為8個(gè)循環(huán)。

2.2.2 工作面支架阻力測(cè)區(qū)

工作面內(nèi)礦壓監(jiān)測(cè)包括基本頂初次來(lái)壓和兩個(gè)周期來(lái)壓部分，在工作面共設(shè)5個(gè)測(cè)站，分別是1站（58號(hào)、59號(hào)、60號(hào)支架）、2測(cè)站（45號(hào)、46號(hào)、47號(hào)支架）、3測(cè)站（30號(hào)、31號(hào)、32號(hào)支架）、4測(cè)站（17號(hào)、18號(hào)、19號(hào)支架）和5測(cè)站（3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)支架）。利用KJ327型礦山壓力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)液壓支架的工作阻力隨推進(jìn)步距變化關(guān)系曲線，進(jìn)而推斷基本頂來(lái)壓步距和來(lái)壓強(qiáng)度。

2.2.3 工作面支架載荷觀測(cè)分析

從2015年9月6日開(kāi)始，工作面采用KJ327型礦山壓力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工作面液壓支架進(jìn)行監(jiān)測(cè)，地面計(jì)算機(jī)配套安裝綜采支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與分析，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)綜采支架工作阻力進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)從2015年9月6日開(kāi)始到10月14日結(jié)束，對(duì)工作面支架實(shí)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)[3]。

合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)中宏觀礦壓顯現(xiàn)，可以得到礦壓顯現(xiàn)規(guī)律參數(shù)，列入表1。

表1 各測(cè)站支架礦壓顯現(xiàn)規(guī)律參數(shù)

由表1可知：

1）工作面下端頭（58號(hào)、59號(hào)、60號(hào)支架）：來(lái)壓步距及峰值不均勻，平均周期來(lái)壓步距20.8 m，平均來(lái)壓峰值為29 MPa。

2）工作面中下部位置（45號(hào)、46號(hào)、47號(hào)支架）：離散性稍大，平均周期來(lái)壓步距22.05 m，平均來(lái)壓峰值為32.65 MPa。

3）工作面中部位置（30號(hào)、31號(hào)、32號(hào)架）：來(lái)壓步距及峰值不均勻，平均周期來(lái)壓步距22.05 m，平均來(lái)壓峰值為32.05 MPa。

4）工作面中上部位置（17號(hào)、18號(hào)、19號(hào)架）：來(lái)壓步距及峰值不均勻，平均周期來(lái)壓步距22.05 m，平均來(lái)壓峰值為36.65 MPa。

5）工作面上端頭（3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)架）：來(lái)壓步距及峰值不均勻，平均周期來(lái)壓步距18.23 m，平均來(lái)壓峰值為26.65 MPa。

根據(jù)獲得的來(lái)壓參數(shù)，確定頂板初次來(lái)壓步距為44.5 m，來(lái)壓峰值為31.22 MPa；周期來(lái)壓步距平均為21.03 m，來(lái)壓峰值為31.74 MPa。

3 超前單體支護(hù)觀測(cè)研究

3.1 超前支護(hù)單體液壓支柱荷載變化規(guī)律分析

在工作面超前支護(hù)載荷觀測(cè)范圍確定為60 m，共布置14個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)超前支護(hù)單體支柱的壓力進(jìn)行觀測(cè)。隨著工作面的推進(jìn)，在原50 m測(cè)點(diǎn)距工作面只剩20 m時(shí)，單體支柱液壓顯著增加，距工作面為7 m時(shí)，壓力值達(dá)到最大；原65 m測(cè)點(diǎn)在距工作面22 m時(shí)支柱荷載持續(xù)上升，距工作面為7 m時(shí)，達(dá)到最大，隨后壓力值逐漸減??；85 m測(cè)點(diǎn)在距工作面40 m時(shí)，老頂斷裂后，支承壓力得到釋放，當(dāng)推進(jìn)到距離工作面38 m左右時(shí)上覆巖層全部斷裂，壓力完全釋放，然后隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，當(dāng)推進(jìn)到距離工作面25 m左右時(shí)支護(hù)載荷再次較劇烈增加，說(shuō)明第一次周期來(lái)壓的到來(lái)，繼而工作面壓力回調(diào)正常，當(dāng)工作面推進(jìn)到77 m時(shí)工作面壓力再次劇烈增加，到距工作面10 m范圍內(nèi)基本達(dá)到20 MPa[4]。

另外根據(jù)支架載荷觀測(cè)分析來(lái)看，在三個(gè)來(lái)壓之日，即9月27日、10月4日和10月14日，上部老頂斷裂，出現(xiàn)兩個(gè)應(yīng)力場(chǎng)。取這三個(gè)日期的超前支護(hù)數(shù)據(jù)可以看出，其內(nèi)靠近煤壁側(cè)壓力峰值分別出現(xiàn)在距工作面8.5 m和9.5 m左右。同時(shí)在距煤壁24.5～28.5 m的范圍內(nèi)支承壓力再次上升到一個(gè)比較大的數(shù)值。超前支護(hù)的范圍在30 m壓力是比較顯現(xiàn)的，說(shuō)明超前支護(hù)的范圍確定在150 m是比較合理的。

3.2 軌道平巷表面位移變化規(guī)律

1）當(dāng)工作面推進(jìn)4 m左右時(shí)，巷道變形量開(kāi)始明顯增大，當(dāng)推到18 m時(shí)，又經(jīng)歷了一次劇烈增加，最終頂?shù)装逡平吭谟^測(cè)期間達(dá)到27 mm，兩幫移近量達(dá)到10 mm；當(dāng)距離工作面32 m時(shí)，巷道變形量開(kāi)始明顯增大；在工作面距測(cè)點(diǎn)38.4 m時(shí)，巷道變形量明顯增大，工作面推進(jìn)45.6 m時(shí)，又經(jīng)歷了一次劇烈變形，頂?shù)装逡平窟_(dá)到197 mm，兩幫變形量最大54 mm。當(dāng)工作面推進(jìn)55.5 m左右時(shí)，巷道變形量開(kāi)始顯著增加，當(dāng)推進(jìn)到76.5 m達(dá)到10月4日的斷裂前夕時(shí)又有一個(gè)劇烈的增加，頂?shù)装謇塾?jì)移近量最大達(dá)到153 mm，兩幫變形量最大205 mm。

2）從下頁(yè)圖 2、3、4 可得出，頂?shù)装遄冃瘟浚?64 mm）大于兩幫變形量（115 mm）。從變形曲線中可得，巷道的移近量無(wú)論是巷道兩幫變形量還是頂?shù)装遄冃瘟慷际窃谙锏啦蓜?dòng)影響范圍之中產(chǎn)生，巷道圍巖開(kāi)始有比較明顯的變形是在距工作面為25 m以內(nèi)產(chǎn)生，在該范圍內(nèi)巷道變形速度加快明顯。這說(shuō)明煤層開(kāi)采一般影響到煤壁前方25 m左右。

3.3 超前壓力影響范圍的確定

綜合兩種結(jié)果的情況可得，綜放工作面超前明顯的影響范圍在30 m內(nèi)，劇烈影響范圍為25 m，斷裂峰值區(qū)為8 m，則巷道超前單體支柱支護(hù)距離大于25 m，3下01工作面超前單體支柱支護(hù)距離為150 m左右，基本可以滿足支護(hù)要求[5]。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)3下01綜放工作面進(jìn)行礦壓顯現(xiàn)實(shí)測(cè)可知：頂煤初垮步距為6 m，直接頂初垮步距19.8 m，老頂初次來(lái)壓步距平均44.5 m，來(lái)壓峰值為31.22 MPa；周期來(lái)壓步距平均為21.03 m，來(lái)壓峰值為31.74 MPa。ZF4200/16/26液壓支架額定工作阻力具有較大的富余，對(duì)3下01綜放工作面具有較好的適應(yīng)性。

圖2 測(cè)區(qū)2（距工作面40 m處）巷道變形曲線

圖3 測(cè)區(qū)3（距工作面60 m處）巷道變形曲線

圖4 測(cè)區(qū)4（距工作面80 m處）巷道變形曲線