大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

郝 俊

(大同煤礦集團王村煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037000)

引 言

近年來，隨著采煤技術(shù)和采煤機械的不斷發(fā)展，厚煤層的開采技術(shù)發(fā)展越來越成熟，進行大采高綜采已成為厚煤層開采的主要方式。但是由于厚煤層開采范圍大，造成的地應(yīng)力擾動大，在開采時會面臨嚴(yán)重的礦壓顯現(xiàn)情況，并且頂、底板和兩幫的穩(wěn)定性較差，在地下開采時很容易顯現(xiàn)出頂板垮落、底鼓和片幫現(xiàn)象，因此進行大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究對于大采高綜采工藝的安全、廣泛應(yīng)用具有十分重要的意義?；诖耍曰幢睂O疃礦1036工作面厚煤層開采作為研究背景，進行大采高綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究，以期對該礦及相似地質(zhì)條件下煤礦的支護工作、安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 工作面概況

孫疃礦1036工作面所在煤層埋深為350 m～596 m，煤層平均厚度為5.4 m，煤層傾角為7°～12°，屬近水平煤層。工作面走向長923 m，傾向長192 m，工作面頂?shù)装逯饕獮槟鄮r、細砂巖組成，節(jié)理裂隙發(fā)育，整體連續(xù)性較差，強度低，在周期來壓時易在頂板中部形成應(yīng)力集中區(qū)域，從而造成頂板的下沉變形。煤體兩幫承受的地應(yīng)力較大，在圍巖擠壓作用下，煤壁片幫現(xiàn)象嚴(yán)重，在巷道底板隨處可見垮落的煤體、矸石。因此進行1036工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究對于1036工作面的安全回采意義重大[1]。

2 礦壓監(jiān)測方案

實時監(jiān)測是探索礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的最有效措施，采用ZYDC-1自動監(jiān)測系統(tǒng)來進行1036工作面礦壓分布情況監(jiān)測。監(jiān)測點布置在沿工作面傾斜方向，布置3個監(jiān)測區(qū)域，通過在監(jiān)測區(qū)的液壓支架上安裝ZYDC-1自動監(jiān)測系統(tǒng)來記錄回采過程中的應(yīng)力變化情況，實現(xiàn)了記錄監(jiān)測的自動化。工作面液壓支架布置，如圖1所示。圖1中的5#、19#、33#液壓支架作為第Ⅰ監(jiān)測區(qū)，67#、81#、95#作為第Ⅱ監(jiān)測區(qū)域，131#、145#、151#支架作為第Ⅲ監(jiān)測區(qū)域，通過對各自監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的液壓支架阻力變化來進行礦壓分析。

圖1 工作面支架布置示意圖

3 礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

通過對所取觀測點礦壓數(shù)據(jù)的監(jiān)測統(tǒng)計，得到的工作面來壓步距統(tǒng)計結(jié)果，如第98頁表1所示。

通過對工作面來壓情況的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)在工作面開始推進后，工作面受采動影響明顯[2]。在推進7 m時，受到應(yīng)力擾動的影響，工作面22#—111#支架之間的所支撐的頂板部分開始冒落，煤體及矸石開始下落；工作面持續(xù)推進，圍巖受到循環(huán)加卸載的擾動且應(yīng)力擾動范圍不斷擴大，在推進到16 m時，整個工作面的直接頂已基本垮落，上部的老頂在覆巖自重的作用下開始下沉，同時煤壁片幫現(xiàn)象嚴(yán)重。在工作面冒落的矸石碎裂無規(guī)則，多以小塊的破碎形式呈現(xiàn)，說明頂板來壓造成頂板巖石的擠壓破碎現(xiàn)象嚴(yán)重。在工作面推進到26.8 m～28.0 m時，頂板出現(xiàn)初次來壓，來壓步距為27.4 m，此后，工作面頂板開始出現(xiàn)周期性來壓現(xiàn)象，通過對7次周期性來壓的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，認(rèn)為老頂來壓的平均步距為29.8 m。

表1 工作面來壓步距統(tǒng)計表

3.1 液壓支架工作阻力分布情況

在1036工作面所采用的液壓支架的額定工作阻力為11 440 kN，額定初撐力為10 850 kN，在工作面頂板來壓過程中的最大初撐力為7 941 kN，占液壓支架設(shè)計初撐力的73%，還有較大的富余程度；支架的最大工作阻力為9 180 kN，占額定工作阻力的80.2%，周期來壓過程中支架的動載系數(shù)為1.2～1.5之間，平均為1.35[3]。

來壓期間和回采期間支架承載分布情況，如圖2所示。

圖2 壓力分布圖

由圖2可以看出，在周期來壓期間，有接近80%的液壓支架壓力大于350 Pa，其中在350 Pa～400 Pa之間的液壓支架數(shù)占50%左右，體現(xiàn)了液壓支架的支撐作用，少部分約8%的液壓支架壓力小于300 Pa，這可能是直接頂冒落后，液壓支架頂部與老頂之間接觸不好，使得液壓支架沒有發(fā)揮該有的承載能力。在回采期間壓力為250 Pa～350 Pa的液壓支架數(shù)最多，約占80%，大于350 Pa的只占3.5%，整體來說回采期間的液壓支架承壓分布情況比較穩(wěn)定[4]。

3.2 工作面走向來壓特征

工作面在初次來壓之后，頂板的礦壓顯現(xiàn)情況均比較平穩(wěn)，在初次來壓至推進40 m之間支架支撐穩(wěn)定，頂板及兩幫變形情況得到減緩。在持續(xù)推進到60 m～70 m時，又呈現(xiàn)了工作面壓力的突然增大，大量頂煤及矸石破碎垮落，煤壁片幫嚴(yán)重，液壓支架的工作壓力增大，有36%的液壓支架開啟了安全閥。分析其原因認(rèn)為在工作面持續(xù)推進過程中，除了工作面頂板周期來壓之外，在開采到中部區(qū)域時出現(xiàn)了超前來壓現(xiàn)象，超前來壓使得工作面的壓力驟然增大。同時由于在工作面開采至中部以后，工作面所面臨的地質(zhì)條件復(fù)雜、頂板松軟，導(dǎo)致開采速度的減緩，造成了來壓步距的減小，在工作面推進140 m后，來壓步距減小為23 m，來壓發(fā)生頻率增大，因此對于開采至中部以后的來壓現(xiàn)象需要多加重視。

3.3 工作面傾向來壓特征

工作面頂板傾向來壓情況數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，如表2所示。

表2 工作面頂板傾向來壓數(shù)據(jù)表

由表2可以看出，在工作面來壓過程中，在工作面中部區(qū)域的支架阻力要明顯大于工作面兩端的支架阻力，中部區(qū)域是來壓時的應(yīng)力集中區(qū)域，頂板的破壞先從工作面中部區(qū)域開始向兩端擴展[5]。非來壓期間，工作面傾向支架阻力整體比較均勻，說明頂板承壓較為穩(wěn)定。但是Ⅱ區(qū)域的支架阻力和動載系數(shù)要大于Ⅰ、Ⅲ區(qū)域，分析認(rèn)為這是由于工作面的直線特性，造成開采后應(yīng)力集中逐漸向中部轉(zhuǎn)移。

4 結(jié)論

通過對孫疃礦1036大采高工作面礦壓監(jiān)測及分析，得到如下幾個結(jié)論。

1) 大采高工作面面臨的礦壓顯現(xiàn)情況較為嚴(yán)重，在工作面推進至初次來壓之前，工作面的頂板垮落、變形及煤壁片幫現(xiàn)象嚴(yán)重，初次來壓步距為27.4 m，平均來壓步距為29.8 m。在初次來壓之后，礦壓顯現(xiàn)情況基本穩(wěn)定。

2) 在工作面周期來壓和回采過程中，液壓支架能夠發(fā)揮該有的承載作用，液壓支架選型設(shè)計合理[6]。

3) 在工作面頂板初次來壓之后，沿著工作面走向推進到60 m～70 m會顯現(xiàn)出超前來壓現(xiàn)象，沿著工作面傾向頂板來壓會顯現(xiàn)出向中部集中的現(xiàn)象，頂板的破壞由中部向兩端擴展。

4) 工作面的推進速度會影響來壓步距和來壓頻率，因此實現(xiàn)快速推進能夠更好的控制頂板。同時由于不同地質(zhì)條件下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律差異性較大，對于復(fù)雜地質(zhì)條件及堅硬頂板情況下的大采高開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律仍需要作針對性的研究，并不能一概而論。