薄煤層工作面頂板運動及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

馬啟廷 陳道志 王 凱

（1.滕州郭莊礦業(yè)有限責(zé)任公司，山東 滕州 277500；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院, 山東 青島 266590）

薄煤層是指厚度在1.3m以下的煤層。在開采薄煤層時應(yīng)用沿空留巷技術(shù)，能夠最大限度地提高薄煤層煤炭采出量，減少掘進巷道的數(shù)量[1]。采用沿空留巷巷道通常會受到兩次采動壓力的影響，因此需要對沿空留巷工作面的礦壓顯現(xiàn)進行觀測和研究，為巷道的布置與支護形式提供依據(jù)。針對沿空留巷工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，已有很多學(xué)者做了相關(guān)的研究[2]，為錦丘煤礦工作面礦壓觀測提供了理論和技術(shù)上的依據(jù)。

1 工程概括

錦丘煤礦開采16煤層，煤層厚度0.7～1.85m，平均1.01m，屬于薄煤層，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，屬穩(wěn)定型可采薄煤層。16煤層開采區(qū)段巷道采用留窄小煤柱形式。16煤層頂板為灰?guī)r，局部堅硬區(qū)域極易造成大面積來壓切頂，嚴(yán)重影響礦井正常生產(chǎn)與安全。為確保礦井正常生產(chǎn)安全，迫切需要了解16層煤受采動影響圍巖支承壓力的分布與變化規(guī)律。

2 頂板運動步距

直接頂初次垮落后，工作面頂板開始進入基本頂初次來壓階段。隨著工作面的推進，基本頂巖層逐漸發(fā)生離層、下沉繼而在巖梁端部和中部發(fā)生斷裂，基本頂?shù)臄嗔押拖鲁列纬闪斯ぷ髅鎭韷骸９ぷ髅骓敯鍘r梁在推進方向上的運動規(guī)律包括直接頂?shù)某醮慰迓洳骄?、基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄嗉爸芷趤韷翰骄郲3-4]。

2.1 初次垮落步距

工作面上方的直接頂可視為“板”，利用彈性力學(xué)理論推導(dǎo)的“板”極限破壞步距公式求解[5]。

式中：

LOZ-直接頂初次垮落步距，m；

σt-巖層抗拉強度，kg/m3；

k-巖層龜裂系數(shù)，k=0.25～0.75；

m-運動巖層厚度，m；

b-工作面斜長，m；

γ-巖層容重，kg/m3；

α-工作面傾角，（°）。

根據(jù)錦丘煤礦工作面16101直接頂與基本頂?shù)暮穸纫约皫r層巖性，各參數(shù)的取值及計算結(jié)果見表1所示。

表1 頂板運動步距計算參數(shù)

2.2 周期來壓步距

由于受力情況和支撐條件的變化，與初次來壓步距C0相比周期來壓步距要小得多，一般認(rèn)為周期來壓步距等于1/4～1/3C0[6]。在我國的一些礦井回采工作面的生產(chǎn)實踐中也證實了周期來壓步距C與初次來壓步距C0的這種比例關(guān)系。錦丘煤礦工作面的周期來壓步距C：

經(jīng)過以上理論分析，計算得到的巖梁運動步距，直接頂初次垮落步距15.64m，基本頂初次來壓步距34m，基本頂周期來壓步距13.67m。

3 礦壓觀測及分析

3.1 礦壓觀測方法

根據(jù)觀測結(jié)果，對工作面回采過程中的頂板運動規(guī)律及來壓特征、超前支承壓力影響范圍和分布特點、工作面支護質(zhì)量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行整理歸納、總結(jié)分析。

通過分析支柱每循環(huán)壓力曲線變化特征來分析支柱工作狀態(tài)。支柱工作狀態(tài)是采場上覆巖層的運動變化情況的直接反映，通過支柱壓力的變化能夠準(zhǔn)確判斷出采場上覆巖層的運動變化情況。隨采場推進，基本頂來壓時巖梁會斷裂、下沉，工作面的壓力也隨之呈現(xiàn)周期性的變化，在支柱的壓力顯現(xiàn)上也會具有一定的周期規(guī)律性。

（1）工作面礦壓觀測

工作面布置3條測線，觀測支柱工作阻力的變化情況。測線布置：上部3條測線，即分別從機頭部依次編號1～3號測線。由錦丘煤礦生產(chǎn)科礦壓組負責(zé)采集數(shù)據(jù)，連續(xù)觀測支架的初撐力、工作阻力，每班采集5次數(shù)據(jù)。

（2） 順槽礦壓顯現(xiàn)觀測

在巷道超前支護范圍內(nèi)的單體液壓支柱上各安設(shè)4臺SYZ-60型閥控式單體支柱壓力在線記錄儀，連續(xù)觀測單體支柱支護阻力的變化情況，每班采集數(shù)據(jù)5次，工作面測點布置如圖1所示。

3.2 頂板運動步距實測

在工作面正常生產(chǎn)階段，由于單體支柱阻力曲線隨著上覆巖梁的周期性運動具有周期性變化的規(guī)律。因此，可以通過曲線在觀測時間段上的周期性變化來判定頂板的運動步距。

圖1 工作面測點布置圖

利用單體支柱“P-t”原始記錄曲線分析頂板的運動步距。通過實測對直接頂和基本頂初次垮落步距的分析，根據(jù)單體液壓支柱工作狀態(tài)和圖2來分析頂板周期運動步距實測結(jié)果。

通過圖2可以看出，各單體支柱在11月17日、11月22日、11月26日、12月1日、12月5日、12月9日期間都有壓力峰值出現(xiàn)，而且持續(xù)時間大致相同，由此判斷在觀測期間共有五次頂板周期運動。

表2 上工作面巖梁周期運動步距觀測結(jié)果

由表2可知上工作面巖梁周期運動步距為：

L=(16.45+13.2+16.37+13.2+13.3)/5=14.5m

可知工作面巖梁周期運動步距為L=14.5m。上述對頂板運動各次步距大小分析，其值與錦丘煤礦同一區(qū)段其他工作面相比非常接近，故推斷基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄嘁泊笾孪嗤?jīng)類比仍可初步確定C=14.5m。

圖2 工作面單體支柱工作阻力

4 采場支承壓力分布及顯現(xiàn)規(guī)律

煤層上的支承壓力分布和在工作面巷道中的顯現(xiàn)以及兩者間的關(guān)系，是由上覆巖層的狀態(tài)和煤體本身各處的支承能力所決定。因此了解煤受力分布狀態(tài)及其破壞狀態(tài)的發(fā)展過程，搞清上覆巖層運動規(guī)律，就能對支承壓力的分布和顯現(xiàn)規(guī)律作出正確的判斷。

利用4臺單體支柱壓力計，分別測得距工作面煤壁5m點、10m點、15m和20m點的單體液壓支柱壓力值，繪成的R-t曲線如圖3所示，

分析得到如下結(jié)論：

（1）總體來講，在超前支護范圍的20m內(nèi)，隨著距煤壁的距離增大，支承壓力顯現(xiàn)的總體趨勢是單調(diào)下降的，靠近工作面煤壁部位越近，單體支柱的壓力值就越大。

（2）從單體液壓支柱的壓力分布直方圖上可以看出，單體支柱的平均工作阻力為15～20MPa，符合單體支柱的正常工作壓力要求。

（3）根據(jù)現(xiàn)場實際觀測，單體液壓支柱的實測壓力曲線可以很好地反映采動影響的支承壓力分布與發(fā)展規(guī)律。

圖3 順槽超前壓力曲線圖

5 結(jié)語

根據(jù)錦丘煤礦16101薄煤層工作面開采條件，經(jīng)過理論分析、礦壓觀測等得到了支承壓力的分布和顯現(xiàn)規(guī)律，主要有以下幾點：

（1）直接頂初次垮落步距15.64m，基本頂初次來壓步距34m，基本頂周期來壓步距13.67m。

（2）通過對順槽超前支護的單體液壓支柱壓力的監(jiān)測，隨著距煤壁的距離增大，支承壓力顯現(xiàn)的總體趨勢是單調(diào)下降，頂板巖梁來壓時的壓力值均大于來壓前的壓力值，單體支柱的平均工作阻力為符合單體支柱的正常工作壓力要求。

（3）16101工作面是錦丘煤礦16煤首采工作面。對該工作面進行系統(tǒng)而全面的礦壓監(jiān)測可以掌握16101工作面乃至整個一采區(qū)工作面的采場上覆巖層的運動規(guī)律、確定需控巖層的范圍、建立采場支架與頂板的相互關(guān)系、進行基本頂來壓預(yù)報等。