厚煤層工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律研究

郝效斌

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律的研究是井下安全開(kāi)采的重要研究方向之一，而工作面礦壓觀測(cè)是確保工作面支護(hù)及頂板管理、巷道支護(hù)安全高效的重要手段之一。因此，做好工作面的實(shí)際礦山壓力監(jiān)測(cè)，分析工作面實(shí)際礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律，對(duì)預(yù)防來(lái)壓具有重要意義。

本文以西山煤電馬蘭礦18303厚煤層工作面為研究背景，通過(guò)工作面礦壓觀測(cè)的方法，研究該工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為馬蘭礦18303工作面頂板合理有效支護(hù)提供對(duì)策。

1 工程概況

西山煤電馬蘭煤礦位于山西省古交市轄區(qū)內(nèi)，為國(guó)有重點(diǎn)煤礦之一，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為500萬(wàn)t/a，現(xiàn)主采2號(hào)煤和8號(hào)煤。其中，8號(hào)煤層平均煤厚為6.8m，為全區(qū)可采的厚煤層。

18303回采工作面可采儲(chǔ)量為216.36萬(wàn)t，上覆基巖的平均厚度分布在110～230m之間，其中較為松散的巖層，厚度在8～23m之間。該煤礦18303工作面煤層傾角為1～3°。采用傾斜長(zhǎng)壁后退式采煤法開(kāi)采該18303工作面，一次采全高，全部垮落法管理頂板。該工作面可采走向長(zhǎng)為1955m，工作面長(zhǎng)度為242m，工作面寬度為7.5m，工作面日推進(jìn)量為3.2m。本次進(jìn)行礦壓觀測(cè)研究時(shí)，18303工作面已回采60d，推進(jìn)了192m左右。

2 礦壓觀測(cè)方案

本次觀測(cè)的內(nèi)容主要是馬蘭礦18303工作面集中煤柱前后100m范圍內(nèi)，工作面液壓支架的支護(hù)阻力及礦壓顯現(xiàn)的現(xiàn)象等。本次主要是結(jié)合18303工作面回采順序，按照開(kāi)采的時(shí)間先后進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)。

（1）礦壓觀測(cè)內(nèi)容

本次觀測(cè)主要分為兩個(gè)階段進(jìn)行：工作面正常回采階段和工作面進(jìn)煤柱階段。其中的觀測(cè)重點(diǎn)在于煤柱前100m和煤柱后100m，由于煤柱與工作面推進(jìn)持平，煤柱礦壓變化已知最為劇烈，故無(wú)需再進(jìn)行礦壓觀測(cè)。本次礦壓觀測(cè)主要對(duì)工作面支架全面觀測(cè)和深基點(diǎn)附近支架專(zhuān)項(xiàng)觀測(cè)，對(duì)不同階段的工作面液壓支架工作阻力、初撐力、末阻力、活柱下縮、來(lái)壓步距及強(qiáng)度、支架工作特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

（2）礦壓分析階段劃分

根據(jù)工作面距離上覆集中煤柱的距離及觀測(cè)數(shù)據(jù)完整情況，以上層煤遺留煤柱邊界線為基準(zhǔn)，把整個(gè)觀測(cè)過(guò)程分為2個(gè)階段。

階段一為過(guò)采空區(qū)階段，推進(jìn)長(zhǎng)度為113m，這一階段中由于電液控?cái)?shù)據(jù)不完整，主要以分析人工觀測(cè)數(shù)據(jù)為主，著重分析工作面在上覆煤層采空區(qū)情況下的礦壓特點(diǎn)；

階段二為進(jìn)煤柱階段，從距第一個(gè)煤柱邊界21m到進(jìn)第一個(gè)煤柱6.9m范圍內(nèi)，在該過(guò)程中的礦山壓力現(xiàn)象是該部分的分析重點(diǎn)。

3 工作面礦壓規(guī)律分析

3.1 工作面正常回采階段

馬蘭礦18303工作面的正?；夭呻A段為2017年8月4日～2017年8月13日（工作面距煤柱134～57m），在這一階段中，每班安排一名研究人員跟班下井，超前采煤機(jī)20架左右記錄支架控制板上的立柱壓力讀數(shù)，并記錄工作面支架安全閥的開(kāi)啟情況。

圖1 安全閥開(kāi)啟分布統(tǒng)計(jì)圖

由于沒(méi)有較為精準(zhǔn)的來(lái)壓數(shù)據(jù)做指導(dǎo)，所以對(duì)觀測(cè)記錄中安全閥開(kāi)啟的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。本次人工觀測(cè)過(guò)程中，判定指標(biāo)為安全閥是否開(kāi)啟，并以此作為依據(jù)，來(lái)判斷來(lái)壓步距。

在人工跟班觀測(cè)期間，一共連續(xù)記錄了105刀共計(jì)91m的安全閥是否開(kāi)啟以及立柱壓力情況，其分布范圍如圖1所示。

通過(guò)人工統(tǒng)計(jì)安全閥開(kāi)啟的情形，可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象，工作面的上方和下方的來(lái)壓步距并不一致。在統(tǒng)計(jì)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)工作面的上方一共出現(xiàn)了5次頂板來(lái)壓的現(xiàn)象，計(jì)算得知，這5次的來(lái)壓步距分別為10.4m、18.2m、14.7m和20.8m。但是，與工作面下方的來(lái)壓相對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，工作面下方一共出現(xiàn)了四次礦山壓力來(lái)壓現(xiàn)象，計(jì)算得知，這四次的來(lái)壓步距分別為14.7m、11.3m和16.4m。綜合分析發(fā)現(xiàn)，有兩次來(lái)壓時(shí)間上較為重合，周期來(lái)壓范圍較大。

3.2 工作面進(jìn)煤柱階段

馬蘭礦18303工作面進(jìn)煤柱階段為2017年8月14日～2017年8月15日，根據(jù)工作面支架實(shí)測(cè)的支架工作的實(shí)際阻力曲線圖，統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到支架循環(huán)末的平均阻力，并分別對(duì)各個(gè)支架計(jì)算均方差。下表1所示為統(tǒng)計(jì)得出的42#、50#、63#、80#支架（這4個(gè)支架為工作面中間段支架，該段支架所受礦山壓力最大）的循環(huán)末阻力值和均方差，并計(jì)算得出來(lái)壓的判斷依據(jù)。

表1 支架周期來(lái)壓判據(jù)

根據(jù)表1計(jì)算出來(lái)得到的來(lái)壓判斷依據(jù)繪制在支架工作阻力上，如圖2所示。通過(guò)對(duì)支架立柱壓力曲線圖進(jìn)行分析，8月14日21點(diǎn)左右支架的工作阻力明顯增高，工作面發(fā)生了一次大的來(lái)壓現(xiàn)象，此時(shí)工作面距離第一個(gè)煤柱邊界9.7m。這次來(lái)壓一直持續(xù)到8月15日8點(diǎn)多早班結(jié)束，來(lái)壓期間工作面向前推進(jìn)了8.4m，此時(shí)工作面距離第一個(gè)煤柱邊界1.3m，之后工作面壓力維持在一個(gè)較小的數(shù)值。從綜采一隊(duì)的8月14日中班和8月15日夜班的生產(chǎn)記錄可知，在這一時(shí)間段內(nèi)，工作面確實(shí)發(fā)生了持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的來(lái)壓現(xiàn)象，整個(gè)工作面的安全閥開(kāi)啟，來(lái)壓較為猛烈。在一個(gè)割煤循環(huán)內(nèi)，支架活柱下縮量最大可以達(dá)到1000mm。

根據(jù)曲線分析和生產(chǎn)情況反饋，可知，在工作面進(jìn)煤柱前，全工作面發(fā)生了大的周期來(lái)壓現(xiàn)象，進(jìn)入煤柱之后周期來(lái)壓消失，工作面壓力減少。

根據(jù)工作面來(lái)壓情況數(shù)據(jù)，選取42#、50#、63#和80#的液壓支架數(shù)據(jù)，對(duì)其所實(shí)際測(cè)得的循環(huán)末的阻力加以區(qū)別和分類(lèi)，分別劃分成為來(lái)壓期間循環(huán)末阻力和非來(lái)壓期間的循環(huán)末阻力，并分別計(jì)算二者的平均值，然后計(jì)算得到各個(gè)支架在來(lái)壓期間的動(dòng)載系數(shù)如表2所示。

圖2 支架工作阻力曲線圖

表2 工作面來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

綜合圖2中各支架的工作阻力曲線圖和表2中計(jì)算得到的各個(gè)支架在來(lái)壓期間的平均循環(huán)末阻力和非來(lái)壓期間的循環(huán)末的支架平均工作阻力，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在工作面進(jìn)煤柱開(kāi)采階段，在周期來(lái)壓之前，各個(gè)支架的工作阻力都比較小，但是當(dāng)周期來(lái)壓時(shí)，支架的工作阻力會(huì)有顯著的變大，迅速上升達(dá)到安全閥開(kāi)啟的閾值，導(dǎo)致安全閥開(kāi)啟。比較各個(gè)支架的動(dòng)載系數(shù)可以看出，動(dòng)載系數(shù)分布在1.50～2.00之間，最大動(dòng)載系數(shù)高達(dá)2.00，說(shuō)明周期來(lái)壓劇烈。

在工作面進(jìn)煤柱這一階段，對(duì)工作面中的各個(gè)支架的循環(huán)末的支架工作阻力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到分布直方圖，如圖3所示。

圖3 工作面進(jìn)煤柱階段支架末阻力分布直方圖

通過(guò)上圖3中數(shù)據(jù)可以看出來(lái)，非來(lái)壓期間，各支架的循環(huán)末的工作阻力分布范圍在11000～12000kN之間，來(lái)壓期間，各支架的循環(huán)末工作阻力主要分布在17000～19000kN范圍之間，其中有11.7%的循環(huán)末阻力超過(guò)安全閥的開(kāi)啟值。

4 結(jié)論

馬蘭礦18303工作面的礦壓觀測(cè)是在人工觀測(cè)和系統(tǒng)自動(dòng)觀測(cè)相結(jié)合的方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)兩個(gè)階段的礦山壓力顯現(xiàn)現(xiàn)象進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如下：

本次礦壓觀測(cè)按照回采順序劃分成兩個(gè)階段，分別是工作面正?；夭呻A段和工作面進(jìn)煤柱階段。工作面正?；夭呻A段，工作面上部和下部存在周期來(lái)壓不同步現(xiàn)象，工作面上部出現(xiàn)5次周期來(lái)壓，平均步距為16m，下部出現(xiàn)4次周期來(lái)壓，來(lái)壓步距平均為14.1m。上部和下部有兩次來(lái)壓時(shí)間重合，形成了全工作面來(lái)壓。工作面進(jìn)煤柱階段，工作面在進(jìn)煤柱前9.7m整個(gè)工作面來(lái)壓，來(lái)壓期間活柱急劇下縮，最大下縮量達(dá)到1000mm，來(lái)壓持續(xù)了8.4m。工作面來(lái)壓時(shí)的動(dòng)載系數(shù)最高達(dá)到2.0，來(lái)壓劇烈。

本次研究有效地預(yù)判了工作面來(lái)壓規(guī)律，為馬蘭礦18303工作面頂板合理有效支護(hù)提供對(duì)策。