深埋堅(jiān)硬煤巖大采高長壁工作面礦壓觀測及顯現(xiàn)規(guī)律

朱 濤，常云博，田春陽

(北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013)

從1960年代中期日本專家設(shè)計(jì)了采高為5.0 m的大采高液壓支架，到1970年代后期我國開始研究大采高綜采技術(shù)，已經(jīng)走過了將近60年的研發(fā)、生產(chǎn)、使用的道路[1-4]。2009年，補(bǔ)連塔煤礦22303大采高綜采工作面安裝了世界首套ZY16800/32/70D型大采高液壓支架，平均采厚達(dá)到了7.55 m[5]。2018年1月，具有我國完全自主知識產(chǎn)權(quán)的世界首個(gè)8.8 m超大采高工作面在上灣煤礦安裝成功。2019年2月，該超大采高工作面產(chǎn)量突破1 000萬t[6]。隨著采高的增大，工作面前后和兩側(cè)支撐壓力、“兩帶”范圍、初次和周期來壓以及其他礦壓顯現(xiàn)等方面均有不同的特點(diǎn)，尤其是對于深埋堅(jiān)硬煤巖大采高長壁工作面而言，分析研究其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和特征顯得尤為重要。本文以紅慶河煤礦3-1101大采高綜采工作面礦壓數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了深埋堅(jiān)硬煤巖大采高長壁工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、煤壁片幫等情況，提出了相應(yīng)的安全技術(shù)措施和建議，對千萬噸級礦井的安全、高效開采具有重要的支撐作用，同時(shí)也為類似煤層的開采提供了較好的參考依據(jù)。

1 工作面概況

1.1 地質(zhì)概況

紅慶河煤礦3-1101工作面開采延安組3-1層煤，該煤層在井田范圍內(nèi)全區(qū)發(fā)育，結(jié)構(gòu)簡單，賦存穩(wěn)定。工作面蓋山厚度為678.92～758.74 m。工作面長度245.75 m，回采長度2 238.7 m。煤層厚度5.52～7.2 m，平均6.36 m，煤層傾角1°～7°，平均3°。實(shí)驗(yàn)室對3-1101工作面3-1號煤層及其頂板、底板巖石物理力學(xué)參數(shù)分析評價(jià)見表1。

1.2 生產(chǎn)情況

3-1101工作面設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力7.0 Mt/a，位于3-1采區(qū)西側(cè)，沿煤層傾向南側(cè)布置膠運(yùn)順槽，巷道采用矩形斷面，凈寬5 400 mm，凈高3 800 mm，斷面積20.52 m2。北側(cè)布置回風(fēng)順槽，巷道凈寬5 000 mm，凈高4 000 mm，斷面積20 m2。切眼位于3-1101工作面西部，沿煤層底板布置，凈寬9.3 m，凈高4.2 m，斷面39.06 m2。工作面采用傾斜長壁后退式一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板。

表1 3-1101工作面及其頂板、底板巖石物理力學(xué)參數(shù)分析評價(jià)表Table 1 Analysis and evaluation table of physical and mechanical parameters of coal seam and roof and floor rock in 3-1101 working face

圖1 3-1101綜采工作面礦壓觀測測站布置位置圖Fig.1 Layout map of ground pressure observation station in 3-1101 fully mechanized mining face

2 工作面礦壓觀測方案及實(shí)施方法

3-1101工作面采用KJ21礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測支架工作阻力，全工作面共布置14個(gè)測站，測站布置見圖1，重點(diǎn)對工作面中上部的10#支架和20#支架，中部的70#支架和80#支架，以及中下部的130#支架和140#支架工作阻力變化情況進(jìn)行監(jiān)測。

利用KJ21礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)，對支架立柱液壓信息進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，研究工作面頂板在初采、正常回采期間的來壓步距、支架最大載荷、來壓動載系數(shù)、強(qiáng)度等技術(shù)參數(shù)，掌握工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，以指導(dǎo)工作面的安全、高效回采。

3 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及液壓支架工作狀態(tài)分析

該礦壓分析所使用的數(shù)據(jù)為自2016年11月11日3-1101工作面開始調(diào)試推進(jìn)，到2017年11月10日一年的數(shù)據(jù)。初次來壓步距在工作面推進(jìn)至75 m左右時(shí)較為強(qiáng)烈。由于周期來壓的特性，選取了2017年1月1日至2017年1月25日的時(shí)間段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這個(gè)期間工作面推進(jìn)了約207 m。

3.1 工作面初次來壓規(guī)律

3.1.1 初次來壓過程

3-1101工作面自切眼推進(jìn)14 m后，工作面中部直接頂開始垮落，推進(jìn)到36 m左右時(shí)，采空區(qū)后方及兩隅角垮落密實(shí)，整體壓力一般。根據(jù)支架壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)并結(jié)合現(xiàn)場情況綜合分析，工作面初次來壓步距約為45 m。工作面推進(jìn)到75 m左右時(shí)，來壓較為強(qiáng)烈，多數(shù)液壓支架的安全閥達(dá)到開啟狀態(tài)。

3.1.2 初次來壓強(qiáng)度

3-1101工作面初次來壓主要集中在機(jī)頭和中部區(qū)域，機(jī)尾段壓力顯現(xiàn)始終較為緩和。初次來壓液壓支架循環(huán)末阻力及動載系數(shù)統(tǒng)計(jì)表見表2。由表2可知，頂板初次來壓時(shí)，在壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈的區(qū)域，液壓支架的平均循環(huán)末阻力達(dá)9 386 kN，動載系數(shù)平均為1.23，動載現(xiàn)象明顯。

數(shù)學(xué)知識內(nèi)容是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，很多單純的?shù)學(xué)知識教學(xué)，會讓學(xué)生感到枯燥無味，教師可以結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，依據(jù)小學(xué)生的心理特點(diǎn)，創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的故事情節(jié)，不但可以吸引學(xué)生的注意力，還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生樂于參與數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)。

3.2 工作面周期來壓規(guī)律

3.2.1 周期來壓步距

選取2017年7月1日(工作面推進(jìn)229.6 m)到2017年7月25日(工作面推進(jìn)到436.6 m)期間完整性較好的礦壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。觀測期間，3-1101工作面監(jiān)測到11次周期來壓，來壓步距最小值為8.1 m，步距最大值為27.9 m，步距總平均值為17.2 m。各測站測得的周期來壓步距見表3。

表2 初次來壓液壓支架循環(huán)末阻力及動載系數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical analysis of end-cycle resistance and dynamic load coefficient of hydraulic support during initial pressure

表3 各支架分析的周期來壓步距Table 3 Periodic weighting step of each hydraulic support analysis

3.2.2 來壓強(qiáng)度及動載系數(shù)分析

3-1101工作面周期來壓時(shí)液壓支架的循環(huán)末阻力值統(tǒng)計(jì)曲線如圖2所示。來壓時(shí)循環(huán)末阻力區(qū)間為10 791.00～16 017.23 kN，平均為13 092 kN，占液壓支架額定阻力的87%。

觀測期間，3-1101工作面基本頂周期來壓的動載系數(shù)統(tǒng)計(jì)見表4。由表4可知，處于3-1101工作面中部的70#支架和80#支架的動載系數(shù)較小。整個(gè)工作面基本頂周期來壓時(shí)動載系數(shù)為1.03～1.68，平均系數(shù)1.32，動載現(xiàn)象明顯。

3.3 工作面液壓支架工作狀態(tài)分析

監(jiān)測期間，3-1101工作面液壓支架在低阻力區(qū)間所占的比例達(dá)到了13.3%，正常阻力區(qū)間所占比例為77.1%，處于高阻力區(qū)的比例為9.6%，說明在初采期間工作面壓力整體正常。

圖2 周期來壓時(shí)支架循環(huán)末阻力值統(tǒng)計(jì)曲線Fig.2 Statistical curve of end-cycle resistance of hydraulic support under cyclic pressure

表4 周期來壓動載系數(shù)統(tǒng)計(jì)表
Table 4 Statistical table of dynamic load coefficient under periodic weighting

順序10#支架20#支架70#支架80#支架130#支架140#支架周期來壓動載系數(shù)一1.521.341.311.301.311.41二1.471.471.221.181.271.40三1.201.17--1.301.36四1.281.431.361.271.481.29五1.341.351.251.251.231.44六1.381.301.211.211.381.23七1.481.321.261.311.321.22八1.251.371.161.19-1.42九1.471.351.031.161.321.47十1.681.381.121.171.47-十一1.411.401.251.271.201.51平均值1.32

初撐力是液壓支架頂梁對頂板的主動支撐力，對于防止頂板產(chǎn)生離層、有效發(fā)揮液壓支架性能有著重要的作用[7-8]。液壓支架的額定工作阻力為7 754 kN，監(jiān)測期間，液壓支架的初撐力最大值為14 355.23 kN，初撐力最小值為347.86 kN，平均初撐力8 710.27 kN，平均初撐力合格率為86.44%，初撐力水平整體上較好。

監(jiān)測期間，液壓支架安全閥的開啟情況統(tǒng)計(jì)見表5。通過分析表5可以得出，安全閥的平均開啟率為5%，開啟率偏大。

監(jiān)測期間，液壓支架左右立柱平均循環(huán)末阻力統(tǒng)計(jì)見表6。由表6可知，70#支架左右立柱循環(huán)末阻力比值相比較其他支架小，判斷仍有一些液壓支架的不平衡率不滿足要求。不平衡率平均為93.8%，整體合格。左右立柱受力相差較大的原因有：①檢修班期間沒能保證液壓支架的兩個(gè)支柱全部保持主動支撐狀態(tài)；②頂板斷裂時(shí)兩柱受力不均勻；③頂?shù)装迤秸容^差。

表5 液壓支架安全閥開啟情況統(tǒng)計(jì)表Table 5 Statistical table for opening of safety valve of hydraulic support

表6 液壓支架左右立柱平均循環(huán)末阻力統(tǒng)計(jì)表Table 6 Statistical table of average end-cycle resistance of left and right pillars of hydraulic support

4 工作面煤壁片幫情況統(tǒng)計(jì)分析

大量的工作面煤壁片幫現(xiàn)場實(shí)測、理論分析和數(shù)值模擬等方法得出的結(jié)論是隨著工作面采高的增大，煤壁片幫的概率相對增加。由于3-1101工作面為深埋大采高工作面，生產(chǎn)過程中極易發(fā)生工作面煤壁大面積片幫的情況，給工作面安全生產(chǎn)帶來隱患。通過現(xiàn)場對3-1101工作面煤壁片幫的觀測，開采初期，工作面煤壁片幫現(xiàn)象較少，僅在機(jī)頭1#支架～5#支架和機(jī)尾140#支架～143#支架的范圍內(nèi)出現(xiàn)，深度最大在0.3 m左右。隨著工作面推進(jìn)，煤壁片幫現(xiàn)象在全工作面開始出現(xiàn)。觀測期間，最嚴(yán)重的一次片幫發(fā)生工作面第7次周期來壓時(shí)，地點(diǎn)在70#支架～87#支架之間，經(jīng)測量，片幫深度達(dá)到了980 mm，上下高度達(dá)2 100 mm，同時(shí)煤壁發(fā)出有“噼噼”的聲音。當(dāng)工作面處于非來壓期間時(shí)，煤壁的片幫深度、上下高度和破壞范圍均比較小。當(dāng)工作面處于在周期來壓期間或工作面推進(jìn)速度較慢時(shí)，煤壁片幫的深度、上下高度和范圍均相對較大，特別是在工作面中部65#支架～90#支架、工作面機(jī)頭2#支架～5#支架和機(jī)尾141#支架～143#支架范圍內(nèi)的部分區(qū)域片幫較為嚴(yán)重。片幫發(fā)生率、深度和高度的觀測結(jié)果見表7。

表7 3-1101工作面煤壁片幫情況統(tǒng)計(jì)表Table 7 Statistical table of rib spalling in 3-1101working face

5 建議及措施

1) 觀測期間，支架初撐力最大值為14 355.23 kN，初撐力最小值為347.86 kN，平均初撐力8 710.27 kN，合格率為86.44%。雖然個(gè)別液壓支架的實(shí)際初撐力偏低，工作阻力較小，但來壓時(shí)動載系數(shù)較大，如20#支架、70#支架和80#支架，說明頂板控制效果一定程度上并不理想，存在工作面片幫及頂板破碎區(qū)域的端面頂板冒漏的情況。日常要加大對供液系統(tǒng)的檢修力度，以保證乳化液泵站壓力大于31.5 MPa，加強(qiáng)對支架初撐力的管理，提高支架初撐力，滿足《煤礦安全規(guī)程》要求。

2) 實(shí)測工作面支架工作阻力超出額定工作阻力、安全閥開啟大多發(fā)生在來壓期間，少部分發(fā)生在工作面推進(jìn)速度慢時(shí)。因此，當(dāng)頂板來壓時(shí)，應(yīng)認(rèn)真檢修、維護(hù)重點(diǎn)區(qū)域工作面設(shè)備，提高支架的工作性能及頂板支護(hù)質(zhì)量。按照要求對工作面進(jìn)行推進(jìn)，必要時(shí)加快推進(jìn)速度，甩掉工作面上部巖層的部分壓力。

3) 第5次周期來壓后，實(shí)測70#支架工作阻力達(dá)到了16 017.75 kN，超出了額定工作阻力，但安全閥長時(shí)間未有開啟，說明個(gè)別支架運(yùn)行狀態(tài)較差。建議對支架的安全閥質(zhì)量進(jìn)行全面檢測，及時(shí)更換不合格的安全閥，確保液壓支架運(yùn)行安全可靠。

4) 當(dāng)工作面處在周期來壓期間或工作面推進(jìn)速度較慢時(shí)，工作面煤壁片幫的深度、上下高度和范圍均相對較大，建議對頂板壓力大的工作面區(qū)域、節(jié)理裂隙較發(fā)育的煤體采用瑪麗散、洛克休等礦用加固材料實(shí)施超前加固，以有效提高煤體的整體性，最大程度防止片幫的發(fā)生。