莒山煤礦92505薄煤層工作面礦壓規(guī)律研究

宋 超

(山西蘭花集團 莒山煤礦有限公司,山西 澤州 048002)

我國煤炭資源豐富，薄煤層分布廣泛，約占煤炭資源總量的20.4%.與厚煤層相比，受限于開采高度的影響，薄煤層工作面作業(yè)空間狹小，支護難度較大，煤炭回收率低，安全事故頻發(fā)[1-3]。因此，了解薄煤層工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律對于薄煤層開采具有重要的理論指導意義。本文以蘭花集團莒山煤礦92505薄煤層工作面為工程背景，采用理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測等方法，對此問題進行分析研究。

1 工程概況

莒山煤礦井田位于山西省澤州縣巴公鎮(zhèn)三家村附近，92505工作面主采9號煤層，平均埋深230 m，地質構造簡單，層理一般，節(jié)理較發(fā)育，煤層傾角3～8°，平均厚度1.14 m，直接頂為均厚2.6 m的砂質泥巖，砂泥巖上層為細砂巖，平均厚度2.7 m，直接底為均厚4.7 m的泥巖。

2 現(xiàn)場監(jiān)測

對92505工作面進行礦壓監(jiān)測，共分兩個周期進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集。第一個周期對金屬摩擦支柱進行礦壓監(jiān)測，第二個周期對單體液壓支柱進行礦壓監(jiān)測。在工作面上、中、下位置分別布置測站，每個測站設置兩個監(jiān)測點，對工作面支柱工作阻力進行監(jiān)測，同時對92505運輸巷及回風巷超前單體支柱工作阻力及回采巷道超前支護液壓支柱的工作阻力進行監(jiān)測。

2.1 工作面支柱現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

摩擦金屬支柱和單體液壓支柱兩個周期的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 92505工作面現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)

如表1所示，同位置的摩擦支柱與液壓支柱相比，上、中、下3個測站的摩擦支柱初撐力分別為液壓支柱的0.22、0.23、0.19，而平均工作阻力分別為0.54、0.45、0.49。由此可知，液壓支柱的支護效果要遠遠優(yōu)于摩擦支柱，對工作面的安全更有保障。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，兩種支柱工作阻力變化情況明顯不同。對于摩擦支柱，在工作面回采初期，并未出現(xiàn)明顯的周期來壓顯現(xiàn)，當工作面推進到20 m以后，才出現(xiàn)較為明顯的周期來壓現(xiàn)象，周期來壓步距約為10 m；當工作面推進到22 m及31 m時出現(xiàn)摩擦支柱工作阻力峰值。對于液壓支柱，周期來壓現(xiàn)象明顯，周期來壓步距約為10 m，當工作面推進到16 m時，出現(xiàn)液壓支柱的工作阻力峰值。

92505工作面兩種支護方式實際支護強度現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。與摩擦支柱相比，92505工作面采用液壓支柱支護時，支護密度平均減小34.8%，平均支護強度平均降低19.4%，來壓期間支護強度平均降低36.4%.由此可知，采用液壓單體支柱支護工作面時，支護效率更高。

2.2 超前單體支柱工作阻力現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)

考慮到回風巷設備較少，更有利于現(xiàn)場監(jiān)測設備的布置及數(shù)據(jù)采集，因此在92505回風巷布置綜合測站進行礦壓監(jiān)測，在距離開切眼100 m范圍內，每隔20 m布置1個綜合測站，每個綜合測站布置5類監(jiān)測點，分別對單體支柱工作阻力、兩幫移近量、頂板下沉量、底鼓量和頂板離層量進行監(jiān)測，在每個監(jiān)測點布置兩根單體支柱。為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)應安排專人定期采集、分析，并剔除其中異常數(shù)據(jù)，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖1所示。

表2 92505工作面兩種支護方式支護強度

圖1 回風巷現(xiàn)場監(jiān)測曲線

如圖1(a)所示，在工作面回采過程中，當單體支柱距離工作面60 m范圍內時，單體支柱工作阻力開始顯著增大，隨著工作面的推進，單體支柱工作阻力呈周期性增大的變化趨勢，周期來壓約為10 m。在距離工作面15 m位置時，單體支柱工作阻力達到峰值，此后單體工作阻力逐漸減小至初撐力。通過對現(xiàn)場單體支柱工作阻力的監(jiān)測，揭示了超前支承壓力的變化規(guī)律，超前支承壓力的影響范圍為60 m左右，超前支承壓力影響劇烈區(qū)為工作面前方20 m范圍內，因此工作面超前支護范圍30 m是合理且安全的。周期來壓步距約為10 m，與工作面支護現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相吻合。如圖1(b)所示，工作面回采過程中，在距離工作面60 m范圍內，受超前支承壓力的影響，巷道圍巖開始收斂變形。兩幫移近量最大值為35 mm，頂板下沉量最大值為72 mm，底鼓量最大值為37 mm，頂板離層量最大值為25 mm，與頂板下沉量相比，離層量較小，表明頂板支護效果良好，頂板沒有發(fā)生明顯離層，表明現(xiàn)有支護效果良好，可以滿足礦方的安全生產需求。

3 薄煤層上覆巖層礦壓規(guī)律研究與分析

現(xiàn)有研究結果表明，在工作面回采過程中，采場頂板巖層發(fā)生破斷后，會形成類似于三角拱式的平衡結構[4-6]，當平衡結構巖塊之間的摩擦力不足以保持巖塊之間的平衡時，就會發(fā)生失穩(wěn)，然后隨著工作面的推進，巖塊再次逐漸趨于穩(wěn)定，這就是采場上覆巖層破斷后經歷失穩(wěn)—穩(wěn)定—再失穩(wěn)—再穩(wěn)定的過程[7-8]，因此才會產生周期來壓。

通過現(xiàn)場監(jiān)測可知，92505工作面在回采過程中周期來壓較為明顯，周期來壓步距為10 m，因此在工作面回采過程中，頂板巖層破斷后形成的巖塊也經歷了失穩(wěn)—穩(wěn)定的過程，最終形成穩(wěn)定的平衡結構。但是由于工作面回采高度較小，對上覆巖層的擾度影響也相對較小，因此周期來壓并不強烈，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，巷道兩幫移近量最大值為35 mm，頂板下沉量最大值為72 mm，底鼓量最大值為37 mm，頂板離層量最大值為25 mm，巷道變形量也相對較小，支護難度較低。

4 結 語

通過對莒山煤礦92505薄煤層工作面進行現(xiàn)場監(jiān)測，分析可得以下結論：

1) 通過對比分析摩擦支柱和液壓支柱的初撐力、平均工作阻力及工作面回采過程中工作狀態(tài)，可知液壓支柱的支護效果更好，支護效率更高。

2) 以工作面回采過程中，回采巷道現(xiàn)場礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，可知超前支承壓力影響范圍約為60 m，超前支承壓力劇烈影響區(qū)約為20 m，因此92505工作面超前支護30 m是安全、合理的。

3) 由于工作面回采高度較小，對上覆巖層的擾動影響也相對較小，因此，采場上覆巖層破斷失穩(wěn)到最終穩(wěn)定形成平衡結構所形成的周期來壓強度較小，支護難度較低。