神東礦區(qū)8.8m超大采高工作面礦壓綜合監(jiān)測與分析

劉忠全，劉前進(jìn)

(1.國家能源集團(tuán) 煤炭與運(yùn)輸管理部，北京 100011；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

神東上灣煤礦8.8m超大采高綜采工作面是目前我國乃至世界上一次開采高度最高、單面生產(chǎn)能力最大的綜采工作面，創(chuàng)造了多項(xiàng)世界第一，代表了國內(nèi)乃至世界井工煤礦綜合機(jī)械化開采的最高水平，同時工作面采用的26000kN液壓支架也是世界上現(xiàn)有工作阻力最大的液壓支架。隨著超大采高工作面采高和開采強(qiáng)度的加大，工作面礦壓顯現(xiàn)更為強(qiáng)烈，神東礦區(qū)大采高工作面采高從7.0m、8.0m發(fā)展到8.8m的過程中，支架工作阻力也從18000kN、21000kN發(fā)展到26000kN，但工作面片幫冒頂事故仍有發(fā)生，礦壓顯現(xiàn)依然強(qiáng)烈，因此，頂板災(zāi)害是制約超大采高工作面安全生產(chǎn)以及進(jìn)一步提高開采上限的重要影響因素[1-8]。以往的工作面片幫冒頂、倒架壓架等頂板事故案例也證明，礦壓規(guī)律掌握不清，防控措施不恰當(dāng)、不及時是多數(shù)頂板事故發(fā)生的重要原因[9-15]。8.8m超大采高工作面采用了綜采成套設(shè)備智能控制、無線通訊、故障預(yù)警及專家決策系統(tǒng)等多項(xiàng)智能化開采技術(shù)，而工作面礦壓顯現(xiàn)及圍巖控制是直接影響8.8m超大采高智能工作面能否實(shí)施的關(guān)鍵因素之一，因此有必要對超大采高工作面礦壓顯現(xiàn)和頂板活動進(jìn)行綜合監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上充分掌握工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并最終實(shí)現(xiàn)礦壓預(yù)測預(yù)警，以指導(dǎo)工作面安全生產(chǎn)。

上灣煤礦基于電液控制系統(tǒng)中的支架壓力、活柱伸縮量數(shù)據(jù)以及微震、鉆孔應(yīng)力、巷道圍巖變形、錨桿受力等礦壓監(jiān)測組成的海量數(shù)據(jù)，建立了8.8m超大采高工作面礦壓大數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)了對超大采高工作面礦壓顯現(xiàn)、支架工況、頂板活動、超前支承壓力、工作面巷道圍巖穩(wěn)定性的綜合監(jiān)測與預(yù)警，為超大采高工作面安全高效生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)的安全保障。

1 工作面概況

1.1 工作面地質(zhì)條件

上灣煤礦12401超大采高綜采面埋深124～244m，上覆松散層厚度0～27m，上覆基巖厚度120～220m。煤厚7.56～10.79m，平均煤厚9.26m，傾角1°～5°。工作面?zhèn)雾敒槟鄮r，抗壓強(qiáng)度約11.3～13.2MPa，普氏系數(shù)約1.32，堅(jiān)固性較低，屬不堅(jiān)硬類不穩(wěn)定型；直接頂為灰白色細(xì)粒砂巖，抗壓強(qiáng)度約13.3～15.2MPa，普氏系數(shù)約1.35；老頂為灰白色粉砂巖，抗壓強(qiáng)度約14.5～36.6MPa，普氏系數(shù)約2.32；直接底為黑灰色泥巖，抗壓強(qiáng)度約14.5～36.6MPa，普氏系數(shù)約2.32。具體情況見表1。

表1 煤層頂、底板特征

1.2 采煤方法

12401綜采工作面沿煤層走向布置，布置三條巷道，分別為輔運(yùn)巷、主運(yùn)巷和回風(fēng)巷。輔運(yùn)巷用于運(yùn)料、進(jìn)風(fēng)、行人；主運(yùn)巷主要用于運(yùn)煤、進(jìn)風(fēng)、設(shè)置移變列車；回風(fēng)巷主要用于回風(fēng)、行人。工作面采用傾斜長壁后退式開采一次采全高全部垮落綜合機(jī)械化采煤法開采，設(shè)計(jì)采高為8.6m。

工作面采用ZY26000/40/88D型兩柱掩護(hù)式液壓支架，共布置128臺支架，其中，6臺端頭支架，4臺過渡架。工作面兩巷采用邁步式超前支架支護(hù)，主運(yùn)巷超前支架型號ZYDC33700/29/55D，支護(hù)長度23.2m；回風(fēng)巷超前支架型號ZFDC80000/29/55D，支護(hù)長度21.2m。

2 工作面礦壓綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 工作面周期來壓規(guī)律分析

基于礦壓大數(shù)據(jù)平臺支架壓力實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，對工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了分析。由于12401工作面采高大、埋藏較淺、頂板厚且堅(jiān)硬，工作面回采期間伴隨顯著的周期來壓現(xiàn)象，來壓期間支架增阻明顯，安全閥出現(xiàn)開啟，活柱下縮，煤壁片幫現(xiàn)象增多。而在非來壓期間，支架增阻不明顯，阻力變化呈恒阻或微增阻狀態(tài)。工作面推進(jìn)期間支架循環(huán)末阻力等值線云圖如圖1所示。

圖1 工作面支架循環(huán)末阻力等值線云圖

工作面周期來壓步距分析如圖2所示，依據(jù)支架壓力大數(shù)據(jù)監(jiān)測，對工作面周期來壓步距l(xiāng)以及來壓強(qiáng)度等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。工作面周期來壓步距從6.4～25.4m不等，平均為13.6m，主要分布在8～18m范圍內(nèi)，正?；夭善陂g工作面推進(jìn)速度較快，來壓頻繁，幾乎每1～2d就有一次來壓過程；周期來壓持續(xù)長度為1.6～8.0m，平均3.7m，約為4～5刀；周期來壓影響范圍一般為30#～100#支架，來壓主要發(fā)生在工作面中部，兩端頭無明顯來壓；周期來壓期間支架最大工作壓力平均為46.3MPa，對應(yīng)支架工作阻力為25600kN。

圖2 工作面周期來壓步距分析

表2 12401工作面正?；夭善陂g周期來壓規(guī)律統(tǒng)計(jì)

2.2 支架工況分析

2.2.1 初撐力分析

支架的初撐力直接影響到支架的支護(hù)效果，合理的初撐力對防止頂板離層、工作面煤壁的片幫起著重要作用。為保證支架支護(hù)性能的發(fā)揮，支架的初撐力應(yīng)該盡可能大一些，一般說來支架的初撐力能達(dá)到額定初撐力的80%以上屬于合理的范圍[16]。為了分析工作面支架初撐力的合理性，采取數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對工作面正?；夭善陂g的支架初撐力進(jìn)行了提取分析，得到各架初撐力的平均值，見表3。支架額定初撐力為17813kN(31.5MPa)，統(tǒng)計(jì)的工作面支架實(shí)際平均初撐力為25.6MPa，占額定初撐力的81.4%，滿足規(guī)定的25.2MPa要求。

表3 工作面各支架平均初撐力統(tǒng)計(jì)情況

2.2.2 支架受力均衡性分析

12401工作面各支架左右立柱受力及受力不均衡系數(shù)統(tǒng)計(jì)見表4。工作面各支架左右立柱受力不均衡系數(shù)在0.23%～9.92%范圍內(nèi)，平均為3.64%。其中40#、90#、100#支架左右立柱受力均衡性較差。兩柱式液壓支架克服了因頂板載荷合力作用位置變化導(dǎo)致的受力不均問題，在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的左右立柱受力不均多是由于支架工不當(dāng)操作、頂?shù)装宀黄交蛘吡⒅Z漏液等原因造成的，需要檢查支架立柱是否存在竄漏液現(xiàn)象，并及時檢修。

表4 12401工作面各支架左右立柱受力及不均衡率統(tǒng)計(jì)

ZY26000/40/88D型雙柱支撐掩護(hù)式液壓支架最大工作高度達(dá)到8.8m，由于支撐高度高，支架縱向穩(wěn)定性較差，易產(chǎn)生支架沿傾向方向傾倒，此時也會造成支架左右立柱受力不均的問題。建議現(xiàn)場檢查上述支架的位態(tài)是否調(diào)正，并合理采用側(cè)護(hù)板進(jìn)行支架位態(tài)調(diào)整。

2.2.3 支架工作阻力頻率分布

支架工作阻力頻率分布能夠很好的反映支架的工作狀態(tài)是否在合理的工作區(qū)間，進(jìn)而判斷支架的適應(yīng)性。支架合理的工作阻力頻率分布形式應(yīng)為近似正態(tài)分布，且合理的頻率分布峰值應(yīng)位于50%～80%額定工作阻力的阻力區(qū)間內(nèi)。

12401工作面正?；夭善陂g，各支架工作阻力頻率分布如圖3所示，支架工作阻力主要分布在14000～18000kN區(qū)間范圍內(nèi)，且工作面中部支架工作阻力大于18000kN的比例明顯大于兩側(cè)支架，說明工作面中部礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈程度強(qiáng)于兩側(cè)；支架工作阻力大于26000kN的比例分布在2.73%～4.84%范圍內(nèi)，平均為3.6%，工作面支架安全閥開啟率在合理范圍內(nèi)。工作面支架工作阻力頻率分布較合理，支架具有較好的適應(yīng)性。

圖3 工作面支架工作阻力頻率分布直方圖

2.2.4 支架活柱伸縮量監(jiān)測

12401工作面支架分別在支架頂梁和底座安裝傾角傳感器，通過換算，可實(shí)現(xiàn)對支架高度的實(shí)時監(jiān)測。選取2018年10月21日至10月26日60#支架的觀測數(shù)據(jù)，對工作面支架高度與支架壓力對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。在非來壓期間支架增阻不顯著，支架高度基本保持不變，而在周期來壓期間支架增阻顯著，支架活柱有明顯下縮。通過多個周期來壓統(tǒng)計(jì)，周期來壓期間60#支架壓力增量分布在5.1～19.95MPa，平均為12.4MPa；循環(huán)增阻量為2825～11287kN，平均為6889kN；支架下縮量為23～178mm，平均為73mm。

不同循環(huán)支架下縮量與壓力增量關(guān)系曲線如圖4所示，由圖4可以看出，周期來壓期間多個頂板活動周期內(nèi)60#支架下縮量和支架壓力增量兩者的離散性較大，說明不同采煤循環(huán)內(nèi)支架系統(tǒng)剛度區(qū)別較大，分布不均，這主要是因?yàn)椴煌恢弥Ъ芩幍捻數(shù)装鍡l件不同，說明支架系統(tǒng)剛度受圍巖條件的影響較大。

圖4 不同循環(huán)支架下縮量與壓力增量關(guān)系曲線

單個循環(huán)內(nèi)支架下縮量與壓力增量關(guān)系曲線如圖5所示，由圖5可以看出，在單個循環(huán)內(nèi)支架下縮量和支架壓力增量兩者呈現(xiàn)顯著的線性增長關(guān)系，隨著支架下縮量增大，支架壓力單調(diào)增大?？梢?，在一固定圍巖條件下，支架系統(tǒng)剛度幾乎保持不變，當(dāng)支架所在圍巖條件發(fā)生改變時，支架系統(tǒng)剛度則會有相應(yīng)變化。通過清除底座下浮煤，除去支架頂梁上方浮矸，并保持頂?shù)装迤秸?，以及加?qiáng)工作面排水等措施，可提高支架系統(tǒng)剛度，充分發(fā)揮支架支護(hù)性能[17]。

圖5 單個循環(huán)內(nèi)支架下縮量與壓力增量關(guān)系曲線

2.3 微震監(jiān)測

微震監(jiān)測技術(shù)是利用震動傳感器捕捉采場采掘活動中覆巖破斷運(yùn)移產(chǎn)生的震動波，并獲得其震源位置、能量頻次等參數(shù)的監(jiān)測技術(shù)，在監(jiān)測頂板活動和沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警方面應(yīng)用廣泛[18，19]。12401工作面引入波蘭生產(chǎn)的ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)，在工作面輔運(yùn)巷和調(diào)車巷共安裝6臺拾震器和4個探頭，并隨工作面推進(jìn)前移。

2018年9—11月，共接收到有效微震事件297起，總能量為1.33×105J，平均能量為446J。10月份的微震事件呈現(xiàn)明顯的聚集特性，并隨工作面開采呈現(xiàn)遷移特性，因此與開采活動具有很好的相關(guān)性。12401工作面微震事件能量水平整體較低，但頻次較高，說明淺埋覆巖不易蓄積能量，覆巖斷裂步距較短，工作面來壓次數(shù)多導(dǎo)致微震事件頻次較高。

2018年9—11月份的每日的頻次和能量變化曲線如圖6所示。由圖6可知，頻次與能量曲線較吻合，表明微震事件的能量較為均勻。9月下旬和10月下旬微震事件能量出現(xiàn)了兩個集中爆發(fā)期，微震能量釋放相對活躍，11月份，微震釋放較為緩和。這與工作面礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)相吻合。

圖6 每日微震頻次和能量統(tǒng)計(jì)

圖7 推進(jìn)度與微震頻次能量關(guān)系

每月推進(jìn)度與微震事件的頻次能量的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知，11月份推進(jìn)度降低之后，微震頻次降到50次，降幅達(dá)到50%，同時能量降幅達(dá)到55.6%。表明推進(jìn)度越快，煤巖體活動所釋放的能量越大，即頂板活動越劇烈。

10月份每日的支架壓力均值與每日微震釋放能量關(guān)系如圖8所示。由圖8可知，微震能量高峰期均發(fā)生在周期來壓峰值來臨前幾個小時乃至一天，而且微震能量高峰期基本對應(yīng)支架壓力較高的區(qū)域。微震能量釋放超前工作面礦壓顯現(xiàn)的時空對應(yīng)關(guān)系也為利用微震監(jiān)測結(jié)果開展淺埋煤層頂板大面積來壓預(yù)測預(yù)報(bào)提供了可能[20]。

圖8 支架壓力與微震能量對應(yīng)關(guān)系

3 結(jié) 論

1)根據(jù)礦壓大數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析，8.8m超大采高工作面周期來壓步距平均為13.6m，來壓持續(xù)長度平均為3.7m，來壓影響范圍主要為30#～100#支架，來壓期間工作面支架最大工作阻力平均為26500kN，礦壓顯現(xiàn)較強(qiáng)烈。

2)工作面支架平均初撐力為25.6MPa，占額定初撐力的81.4%，滿足規(guī)定的25.2MPa要求；支架左右立柱受力不均衡系數(shù)在0.23%～9.92%范圍內(nèi)，平均為3.64%，支架受力均衡性整體較好；工作面支架工作阻力主要分布在14000kN以上的區(qū)間，支架支護(hù)性能發(fā)揮充分，工作阻力頻率分布合理，具有較好的適應(yīng)性。

3)工作面周期來壓期間支架下縮量為23～178mm，平均為73mm，支架下縮明顯；不同圍巖條件下支架下縮量與支架增阻量對應(yīng)關(guān)系具有較大離散性，而固定圍巖條件下支架下縮量與增阻量保持良好的線性增長關(guān)系，支架系統(tǒng)剛度受圍巖條件的影響較大。

4)8.8m超大采高工作面微震事件能量水平整體較低，但頻次較高，且微震能量釋放超前工作面礦壓顯現(xiàn)的時空對應(yīng)關(guān)系為利用微震監(jiān)測結(jié)果開展超大采高工作面頂板大面積來壓預(yù)測預(yù)報(bào)提供了可能。