近距離煤層采空區(qū)下綜采面礦壓規(guī)律實(shí)測(cè)研究

侯拴貴

（山西西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西 太原 030200）

近距離煤層上部煤層開采后，底板圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，在底板圍巖重新平衡的過程中造成底板圍巖出現(xiàn)擠壓、拉伸破壞，形成大量的裂隙發(fā)育區(qū)，致使底板圍巖強(qiáng)度、完整性大幅度下降［1-4］。當(dāng)上部煤層開采完畢后，下部煤層在開采過程中，因頂板圍巖遭到上部煤層開采引起的破壞，工作面礦壓顯現(xiàn)較普通工作面而言勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)新的特點(diǎn)［5-6］。西曲礦北二采區(qū)8#和9#煤層間距平均為7.4 m，屬于近距離煤層，為全面掌握采空區(qū)下近距離煤層工作面礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)，現(xiàn)決定以29205工作面為研究對(duì)象進(jìn)行采空區(qū)下近距離綜采面礦壓規(guī)律研究。

1 工作面概況

29205工作面上部為太原組8#煤層采空區(qū)，工作面所采煤層為太原組9#煤層，平均埋深為220 m，傾角平均為3.5°，煤層均厚2.2 m，中間有一層均厚0.1 m左右的夾矸。29205工作面范圍內(nèi)，9#煤層與上部8#煤層平均間距為7.4 m，兩層煤間從上至下分別為均厚4.3m的細(xì)粒砂巖和3.1m的砂質(zhì)泥巖，資料顯示，8#煤層采空區(qū)形成近10年。29205工作面共布置兩條巷道，分別用于運(yùn)煤、進(jìn)風(fēng)和運(yùn)料、回風(fēng)，均沿頂板掘進(jìn)，兩巷支護(hù)方式為錨網(wǎng)索鋼帶支護(hù)，局部為架棚支護(hù)。工作面設(shè)計(jì)可采走向長(zhǎng)度為960m，傾斜長(zhǎng)度為140m，采場(chǎng)布置94臺(tái)ZY3600-12/28型支架，該支架額定工作阻力和初撐力為3600kN和3092 kN。

19101工作面所采煤層為太原組9#煤層，煤層均厚2.15m，平均傾角為3.5°，與上部8#煤層間距平均8.1 m，頂板為砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度和傾斜長(zhǎng)度分別為460m和126 m，該工作面采用上行綜合機(jī)械化一次采全高開采，采場(chǎng)布置ZY3600-12/28型支架84臺(tái)。

2 礦壓觀測(cè)方案設(shè)計(jì)

為了掌握29205工作面采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)，沿工作面布置五條測(cè)線，測(cè)線對(duì)應(yīng)的支架分別為10#、47#、49#、51#和84#支架， 在所測(cè)支架上安裝圓圖儀和耐震雙針壓力表用以測(cè)量支架工作阻力和初撐力；為了保證支架的供液壓力符合要求，在末架的總進(jìn)液管路安裝壓力表用以監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)工作壓力。為了掌握回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，在29205工作面回風(fēng)巷超前120m和130m處煤體內(nèi)埋設(shè)應(yīng)力計(jì)和布置十字交叉測(cè)點(diǎn)用以觀測(cè)巷道壓力變化和收斂變形。

3 礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)分析

由觀測(cè)可知，在29205工作面從開切眼推進(jìn)前，支架工作阻力變化不大，平均為2654 kN；隨著工作面推進(jìn)，支架平均工作阻力逐漸增大直至穩(wěn)定，當(dāng)工作面進(jìn)一步推進(jìn)，支架平均工作阻力又有逐漸升高趨勢(shì)，當(dāng)推至距離開切眼18 m時(shí)，后方直接頂基本垮落完畢，當(dāng)距離開切眼36 m時(shí)，基本頂基本垮落完畢，說明初次來壓步距為36 m，來壓期間支架平均工作阻力為3326 kN，非來壓期間工作阻力平均為2894 kN。隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，所測(cè)支架工作阻力出現(xiàn)周期性變化，架后頂板也出現(xiàn)相應(yīng)的周期垮落，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果可知，在初次來壓后，前五次頂板周期性垮落分別出現(xiàn)在距離開切眼48m、58m、69m、81m、90m，說明29025工作面周期來壓步距為9～12m，平均為11 m，周期壓力期間所測(cè)支架平均工作阻力位3255 kN，非周期來壓期間支架工作阻力平均為2912 kN?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在工作面來壓期間，工作面煤墻片幫和端頭頂板冒漏有明顯加劇現(xiàn)象，尤其是工作面中部易出現(xiàn)連續(xù)性大范圍片幫，對(duì)片幫和端頭頂板冒漏進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，非來壓期間，煤壁片幫率和端頭頂板冒漏率分別為17%和11%，來壓期間，煤壁片幫率和端頭頂板冒漏率分別42%和19%，說明頂板變化對(duì)煤壁和端頭頂板穩(wěn)定性影響較大。29205工作面來壓特征參數(shù)與非采空區(qū)下9#煤層工作面來壓特征參數(shù)對(duì)比見表1所示。由表1可知，29205工作面來壓步距、來壓期間支架工作阻力、來壓持續(xù)時(shí)間均低于非采空區(qū)下9#煤層工作面，說明采空區(qū)下近距離工作面來壓并不明顯，分析認(rèn)為主要是上部8#煤層的開采破壞了9#煤層頂板完整性和強(qiáng)度，釋放了原巖應(yīng)力，造成9#煤層頂板來壓減弱。

表1 采空區(qū)下和非采空區(qū)下9#煤層綜采面頂板來壓期間特征參數(shù)

支架工作阻力分布見圖1，由圖1可知，支架載荷主要分布在1800～3000 kN范圍內(nèi)，約占統(tǒng)計(jì)數(shù)的60.5%，其次分布在1200～1800kN和600～1200 kN范圍內(nèi)，分別占統(tǒng)計(jì)數(shù)的18.4%和10.8%，超出額定工作阻力3600 kN的僅占統(tǒng)計(jì)數(shù)0.1%，同時(shí)，結(jié)合表1，分析認(rèn)為29205工作面回采期間，支架工作阻力不大，頂板壓力不明顯，支架適應(yīng)性較好，但是，鑒于29205工作面屬采空區(qū)下近距離煤層開采，頂板條件較差，所測(cè)支架初撐力卻普遍較低，故不利于頂板支護(hù)，故應(yīng)在回采期間有意識(shí)的采取措施提高支架初撐力。

3.2 順槽礦壓顯現(xiàn)分析

圖1 29205采場(chǎng)支架工作阻力分布直方圖

對(duì)煤體內(nèi)應(yīng)力計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可得工作面前方頂板支承壓力變化曲線，見圖2。由圖2可知，29205工作面頂板支承壓力影響范圍為煤壁前方約45m，峰值位置位于煤壁前方14～17 m，所測(cè)壓力峰值為19.4MPa；而非采空區(qū)下9#煤層頂板支承壓力影響范圍為煤壁前方60 m，壓力峰值位置位于煤壁前方10～15m，壓力峰值可達(dá)31 MPa，由此說明采空區(qū)下近距離煤層綜采工作面超前支承壓力和影響范圍較小。

根據(jù)超前段巷道十字交叉測(cè)點(diǎn)測(cè)量時(shí)數(shù)據(jù)可知，29025工作面兩幫收縮量累計(jì)為435 mm，頂板下沉量為128mm，相比于非采空區(qū)下9#煤層19101工作面而言，巷道兩幫收斂量平均減小124 mm，頂板下沉量減少24 mm。

圖2 29205工作面超前支承壓力分布曲線

4 結(jié)語

通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)掌握了西曲礦采空區(qū)下近距離煤層29205工作面礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)：

1）29205工作面初次來壓和平均周期來壓距離為36m和11 m，周期來壓期間和非來壓期間支架工作阻力平均為3326kN和3255 kN；超前支承壓力影響范圍為45m，支承壓力峰值為19.4 MPa；巷道兩幫和頂板變形量分別為435mm和128 mm，相比于非采空區(qū)下9#煤層19101工作面分別減少124 mm和24mm。相比于非采空區(qū)下近距離9#煤層而言，29205工作面來壓距離、來壓強(qiáng)度、支承壓力影響范圍和強(qiáng)度相對(duì)較小，說明對(duì)于已經(jīng)穩(wěn)定的采空區(qū)下近距離工作面來壓相對(duì)較弱。

2）鑒于工作面支架初撐力普遍較低，考慮到8#煤層開采破壞了29205工作面頂板完整性和強(qiáng)度，應(yīng)有意識(shí)提高支架初撐力，以確保對(duì)頂板及時(shí)有效支護(hù)。