淺埋深超大采高工作面礦壓規(guī)律分析

王子升

（神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦，陜西 神木 719315）

0 引言

淺埋深煤層主要分布于我國(guó)的西部，煤層厚度很大。由于埋深淺，上覆風(fēng)沙層厚，煤層頂板表現(xiàn)為單一的主關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)［1-3］。與普通采高相比，在開(kāi)采過(guò)程中，超大采高工作面礦壓顯現(xiàn)較為明顯，煤壁片幫非常嚴(yán)重、頂板漏矸、下沉明顯［4-5］。以神東大柳塔煤礦52307綜采面7 m超大采高綜采工作面的開(kāi)采為背景，進(jìn)行礦壓規(guī)律分析和研究，以期為其他綜采面的開(kāi)采提供參考。

1 工程概況

大柳塔煤礦52307綜采面走向長(zhǎng)度4 462.6 m，工作面長(zhǎng)度301 m，傾角1°～3°，煤層平均厚度為7.2 m，采高7 m，采用全部垮落法管理頂板。綜采工作面上覆基巖是中下侏羅統(tǒng)延安組地層，厚度約為60～110 m，基巖厚度從切眼開(kāi)始到回撤通道逐漸變厚。地表大多被第四系松散沉積物覆蓋，工作面埋深平均160 m。綜采面頂?shù)装鍫顩r，見(jiàn)表1。

表1 工作面頂?shù)装迩闆r

除端頭支架和過(guò)渡支架外，52307綜采工作面中部頂板支護(hù)使用了140臺(tái)型號(hào)為ZY18000/32/70D的兩柱支撐掩護(hù)式液壓支架。其主要技術(shù)特征見(jiàn)表2。

表2 液壓支架主要技術(shù)特征

2 工作面礦壓觀測(cè)方案

2.1 觀測(cè)工具

在52307綜采工作面液壓支架的左右立柱上安裝壓力傳感器，再用網(wǎng)線把液壓支架PM32上所顯示的數(shù)值傳到控制臺(tái)，PM32上顯示的數(shù)值就是液壓支架的初撐力。當(dāng)割煤一個(gè)循環(huán)后，在下一刀割煤前從PM32上讀出的數(shù)值即為液壓支架上最大的工作阻力。頂板離層儀安設(shè)在兩順槽。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

在52307綜采工作面140臺(tái)液壓支架上，每隔5架設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別設(shè)置在5#、10#、15#、…、135#、140#液壓支架上，共計(jì)設(shè)有28個(gè)測(cè)點(diǎn)。綜采工作面測(cè)點(diǎn)布置示意圖，如圖1所示。

2.3 研究方法

將28個(gè)測(cè)點(diǎn)的液壓支架壓力數(shù)據(jù)通過(guò)使用Excel軟件來(lái)生成礦壓曲面圖，把圖中的最小壓力設(shè)定為25.2 MPa，每隔5 MPa用一種顏色來(lái)表示，不同顏色代表不同的壓力大小，顏色越深則頂板壓力越大。在連續(xù)的工作面上，通過(guò)不同顏色及其深淺程度來(lái)反映頂板壓力大小［6-8］，更能直觀地推測(cè)出頂板巖層的活動(dòng)以及周期來(lái)壓步距，為規(guī)律研究提供了方便。

圖1 綜采工作面測(cè)點(diǎn)布置示意圖

在綜采面生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，人工記錄安裝在綜采面兩順槽的頂板離層儀的數(shù)據(jù)。觀察綜采面來(lái)壓期間煤壁片幫、頂板漏矸程度、液壓支架立柱下沉、安全閥開(kāi)啟程度等內(nèi)容，同時(shí)與生成的曲面圖結(jié)合起來(lái)，分析研究綜采面的礦壓規(guī)律。

3 綜采工作面礦壓規(guī)律

3.1 初采期間礦壓規(guī)律

根據(jù)測(cè)點(diǎn)液壓支架壓力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從切眼推進(jìn)至180 m范圍內(nèi)，初采期間Excel生成的曲面圖，如圖2所示。

工作面初采期間礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)情況見(jiàn)表3。

由圖2和表3可知，綜采工作面實(shí)際初次來(lái)壓步距為74 m，直接頂初次垮落步距20.5 m。在初次來(lái)壓期間礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度大，煤壁片幫嚴(yán)重，出現(xiàn)漏矸現(xiàn)象，支架立柱壓力明顯增大，幾乎全在40 MPa左右，局部壓力較大的地方有的超過(guò)50 MPa，安全閥大范圍開(kāi)啟，立柱下縮量最大達(dá)400 mm，頂板出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。平衡千斤頂縮進(jìn)量在50～150 mm，支架后部被壓下，支架仰俯角增大，動(dòng)載系數(shù)為1.30～1.82，平均1.48。機(jī)頭25架、機(jī)尾30架范圍內(nèi)基本無(wú)來(lái)壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，割煤時(shí)煤壁完好平直，但是煤塊飛濺嚴(yán)重。綜采面初次來(lái)壓后，伴隨著工作面的向前推進(jìn)，頂板也出現(xiàn)周期性運(yùn)動(dòng)，周期來(lái)壓步距平均16.7 m左右，來(lái)壓時(shí)礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。此時(shí)要確保支架初撐力始終保持在平均25.2 MPa以上，以有效應(yīng)對(duì)周期來(lái)壓。52307綜采工作面在推進(jìn)過(guò)程中，煤壁前方支承壓力大，特別是在工作面老頂來(lái)壓前，支承壓力更加明顯，煤壁片幫嚴(yán)重，局部頂板將會(huì)出現(xiàn)漏矸現(xiàn)象［9-11］。

表3 工作面初采期間礦壓觀測(cè)統(tǒng)計(jì)表

圖2 工作面初采期間礦壓數(shù)據(jù)曲面圖

3.2 正?；夭善陂g礦壓規(guī)律

在正?；夭善陂g，根據(jù)綜采工作面液壓支架壓力數(shù)據(jù)和生成礦壓曲面圖，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)來(lái)壓情況，對(duì)每個(gè)月綜采工作面正常回采期間礦壓規(guī)律分析。通過(guò)加權(quán)計(jì)算，綜采工作面周期來(lái)壓平均步距為17.6 m。周期來(lái)壓時(shí)，工作面壓力持續(xù)距離為3.5～10.2 m，平均6.6 m。其中工作面壓力正常時(shí)，推進(jìn)距離約4.2～13 m，平均9.5 m。工作面正常推進(jìn)時(shí)支架的正常載荷為29 MPa左右。工作面周期來(lái)壓期間，支架的載荷為35～50 MPa，平均值為40 MPa，動(dòng)載系數(shù)最小為1.21，最大達(dá)1.69。工作面來(lái)壓，主要集中在工作面25#～120#架之間，來(lái)壓顯現(xiàn)明顯，兩端頭周期來(lái)壓現(xiàn)象不明顯。工作面在來(lái)壓期間，礦壓顯現(xiàn)顯著，煤壁片幫、頂板漏矸、下沉嚴(yán)重，支架立柱壓力增大，安全閥大面積開(kāi)啟，開(kāi)啟率達(dá)35%，并且伴隨著卸載漏液。周期來(lái)壓具有分布的不均衡性和來(lái)壓的不同步性，有的地方先來(lái)壓，有的后來(lái)壓，工作面在來(lái)壓狀態(tài)下壓力大小表現(xiàn)也不均勻，有的大有的小。

3.3 末采期間礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

當(dāng)52307綜采工作面推進(jìn)距回撤通道200 m進(jìn)入末采階段時(shí)，對(duì)礦壓數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真分析，生成礦壓曲面圖，如圖3所示。

從距離回撤通道200 m至貫通的200 m范圍內(nèi)，周期來(lái)壓14次，來(lái)壓步距分別為14.2、18.8、13.1、16.8、10.5、5.7、5.5、9.0、11.0、14.1、10.6、21.1、17.1、12.8 m，周期來(lái)壓平均步距12.9 m。

從距離回撤通道110 m位置開(kāi)始逐步調(diào)整采高至6 m，推進(jìn)至45 m位置采高降到5.5 m，從礦壓分析圖中可以看出，采高變小后來(lái)壓步距逐步變大。工作面機(jī)頭剩余23 m，機(jī)尾剩余24 m，此時(shí)來(lái)壓已經(jīng)結(jié)束。按照之前步距推算，預(yù)計(jì)推進(jìn)至17 m位置工作面將開(kāi)始來(lái)壓，推進(jìn)至17 m前，不影響停機(jī)打錨索。實(shí)際由于來(lái)壓步距變化，在推進(jìn)至17.8 m位置工作面來(lái)壓，60#～75#架范圍支架壓力38～44 MPa，壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈，但頂板完好，停機(jī)打錨索。

圖3 52307綜采面末采礦壓曲面圖

推進(jìn)至剩余6 m位置，工作面最后一次來(lái)壓，來(lái)壓持續(xù)步距較小，推進(jìn)距回撤通道1 m位置壓力甩完，持續(xù)4.8 m（6刀），貫通時(shí)工作面無(wú)壓。通過(guò)觀測(cè)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，末采階段由于推進(jìn)速度快，采高逐步降低，周期來(lái)壓步距增大，礦山壓力顯現(xiàn)沒(méi)有正常回采時(shí)那么強(qiáng)烈，工作面煤壁片幫現(xiàn)象有所減少。

3.4 兩順槽礦壓規(guī)律

52307綜采工作面從初采到末采，通過(guò)對(duì)工作面兩順槽頂板離層儀、巷道變形情況進(jìn)行觀測(cè)。在52307綜采面整個(gè)回采期間，運(yùn)輸順槽頂板離層儀觀測(cè)值跟原始值相同，離層量為零，未發(fā)生明顯片幫、頂板下沉等現(xiàn)象，受超前支承壓力影響不大，巷道基本無(wú)明顯變形。運(yùn)輸順槽副幫上部煤壁表層出現(xiàn)爆皮炸皮現(xiàn)象，中部及下部出現(xiàn)網(wǎng)兜，影響范圍在超前工作面5～15 m，正幫出現(xiàn)了幫鼓的現(xiàn)象，幫鼓影響范圍2～10 m左右。

回風(fēng)順槽超前工作面10 m范圍內(nèi)，受超前支承壓力影響正幫發(fā)生輕微片幫現(xiàn)象，副幫下部出現(xiàn)網(wǎng)兜；超前支架支撐范圍內(nèi)頂錨索和頂錨桿被破壞，存在掉落風(fēng)險(xiǎn)，作業(yè)人員必須現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)源辨識(shí)并處理安全隱患后方可作業(yè)。

4 結(jié)論

（1）52307綜采工作面礦壓顯現(xiàn)非常強(qiáng)烈，來(lái)壓時(shí)頂板漏矸、下沉，煤壁嚴(yán)重片幫，安全閥大面積開(kāi)啟卸載，有的立柱下縮高達(dá)800 mm，采高減小，頂板存在小幅度的臺(tái)階下沉現(xiàn)象，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度符合淺埋煤層的開(kāi)采特征。

（2）52307綜采工作面周期來(lái)壓步距在6.5～25.6 m之間，變化較大，平均步距17.6 m；工作面周期來(lái)壓期間，支架的載荷為35～49 MPa，平均值為40 MPa，動(dòng)載強(qiáng)烈。

（3）工作面有明顯的壓力區(qū)域25#～120#架，此區(qū)域的壓力最大，兩端頭壓力較弱；在綜采面的實(shí)際生產(chǎn)中，壓力比較明顯的區(qū)域是頂板漏矸、冒頂、壓壞支架的高發(fā)區(qū)域，所以一定要特別做好這些壓力集中區(qū)域的頂板管理，確保液壓支架的初撐力始終保持在平均25.2 MPa以上，以有效應(yīng)對(duì)周期來(lái)壓。

（4）綜采面周期來(lái)壓時(shí)分布不同步，也不均衡，有的區(qū)域先來(lái)壓，有的后來(lái)壓；工作面中部周期來(lái)壓現(xiàn)象明顯，兩端頭周期來(lái)壓不明顯；周期來(lái)壓步距的大小、礦壓顯現(xiàn)的強(qiáng)度和綜采工作面的液壓支架初撐力、綜采工作面的推進(jìn)速度以及上覆基巖的厚度關(guān)系很大。

（5）301 m的綜采工作面長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，對(duì)礦壓也能造成很大影響；由于工作面長(zhǎng)度的增加，導(dǎo)致推進(jìn)速度過(guò)慢，就使上覆巖層的垮落比較充分，導(dǎo)致周期來(lái)壓比較頻繁。