發(fā)耳煤礦智能化綜采工作面礦壓規(guī)律研究

周 明 劉建剛

（1．六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與機(jī)械工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004；2．貴州發(fā)耳煤業(yè)有限公司，貴州 六盤水 553017）

0 引言

長(zhǎng)壁開采具有效率高、產(chǎn)量大等優(yōu)點(diǎn)，分析智能工作面長(zhǎng)壁開采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律對(duì)具有相似地質(zhì)條件的智能工作面安全高效開采具有重要意義。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)不同類型地質(zhì)條件下長(zhǎng)壁工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律做了詳細(xì)的研究，取得了一系列成果，但智能化綜采工作面礦壓顯現(xiàn)研究者較少。該文以發(fā)耳煤礦31004智能化綜采工作面為研究對(duì)象。

1 概況

1.1 31004智能化綜采工作面概況

貴州發(fā)耳煤業(yè)有限公司31004智能化綜采工作面是10#煤層第4個(gè)工作面，位于三采區(qū)軌道下山東翼，東至引F3斷層保護(hù)煤柱線，北至31002工作面（已回采），南至31006工作面（未準(zhǔn)備），西鄰三采區(qū)軌道下山保護(hù)煤柱。工作面具體位置及井上下關(guān)系見表1。

表1 31004智能化綜采工作面位置及井上下關(guān)系

1.2 煤層

31004智能化綜采工作面開采煤層為10#煤，煤層走向由東南轉(zhuǎn)向東北，煤層傾角15°～21°，平均煤厚2.25m，煤層賦存比較穩(wěn)定。10煤為塊狀-粉末狀，以亮煤為主，條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，有細(xì)小方解石脈順外生裂隙穿切，煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，局部有夾石一層，夾石巖性為炭質(zhì)泥巖。煤層硬度f(wàn)=2～4。

1.3 煤層頂?shù)装?/h3>

31004智能化綜采工作面直接頂為泥巖，灰黑色，厚度3.05m，強(qiáng)度低，屬2類（中下穩(wěn)定）頂板；基本頂為粉砂巖，灰-灰綠色，厚度7.18m，堅(jiān)硬，屬Ⅰ級(jí)頂板。直接底為黏土質(zhì)砂巖，遇水易膨脹，強(qiáng)度較低，底板容許比壓為4.15MPa。

2 工作面礦壓監(jiān)測(cè)方案

2.1 礦壓監(jiān)測(cè)的目的

為了掌握發(fā)耳礦31004智能化綜采工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和特征，為后續(xù)相似條件下工作面安全高效回采提供依據(jù)，需要在31004工作面回風(fēng)順槽和運(yùn)輸順槽內(nèi)布置礦壓及巷道變形觀測(cè)站進(jìn)行礦壓觀測(cè)和巷道變形監(jiān)測(cè)。1） 為及時(shí)掌握31004智能化綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，分析液壓支架支護(hù)效能，以其為后續(xù)類似條件下智能工作面綜采液壓支架選型提供參考依據(jù)，需要在31004智能化綜采工作面進(jìn)行液壓支架支護(hù)工作阻力觀測(cè)。2） 為31004智能化綜采工作面回風(fēng)順槽和運(yùn)輸順槽超前支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)提供設(shè)計(jì)依據(jù)，掌握工作面前方煤體內(nèi)應(yīng)力（原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)、應(yīng)力降低分區(qū)）布情況，需要對(duì)31004智能化綜采工作面兩巷進(jìn)行超前支承壓力的觀測(cè)。3） 通過(guò)高水材料巷幫充填沿空留巷圍巖變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的觀測(cè)與分析，為判斷巷幫充填體的穩(wěn)定性提供依據(jù)。

2.2 礦壓監(jiān)測(cè)內(nèi)容

工作面測(cè)站布置要具有代表性，能夠反映出整個(gè)工作面的實(shí)際情況，根據(jù)礦壓觀測(cè)內(nèi)容來(lái)合理確定工作面測(cè)站布置，可在采面內(nèi)間隔一定距離設(shè)置一個(gè)測(cè)站，且可以以測(cè)站內(nèi)的支架作為觀測(cè)線。具體監(jiān)測(cè)內(nèi)容如下。1） 31004智能化綜采工作面工作面頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析。2） 31004智能化綜采工作面軌道巷表面收斂變形監(jiān)測(cè)。3） 充填幫支護(hù)結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)。

3 工作面頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律

工作面回采后，根據(jù)上覆巖層垂直破壞情況可將其劃分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，如圖1所示。

圖1 上煤層開采后覆巖移動(dòng)概況

工作面冒落帶高度計(jì)算方法如下。當(dāng)允許巖層冒落運(yùn)動(dòng)的空間高度S（自身厚度與下部空間之和）大于或等于其冒落充填厚度Km時(shí)，則第m層冒落，逐層向上推斷，直至（＜Km）不冒為止。其中K為各巖層的碎脹系數(shù)，m為第層巖層厚度，S為允許第層冒落運(yùn)動(dòng)空間，如式（1）所示。

Km＞S=+++...+m---...-Km（1）

可以根據(jù)巖石相關(guān)力學(xué)性質(zhì)來(lái)決定巖石碎脹系數(shù)的大小。一般來(lái)說(shuō)巖石單軸抗壓強(qiáng)度越大碎脹系數(shù)較大，巖石單軸抗壓強(qiáng)度小的碎脹系數(shù)相對(duì)較小。巖石的碎脹系數(shù)一般在1.05～1.80取值。

3.1 采場(chǎng)頂板組成及活動(dòng)范圍

31004智能化綜采工作面頂板由直接頂和基本頂兩部分組成。直接頂厚度計(jì)算如式（2）所示。

式中：m—直接頂厚度，m；—采高，m；S—巖梁觸矸處沉降值，S=0.18h，m；K—巖梁觸矸處已冒落巖層的碎脹系數(shù)，根據(jù)此工作面條件，選取為1.31。

由于31004智能化綜采工作面設(shè)計(jì)采高為2.25m，因此把=1.31，=0.18h分別代入式（1），求得直接頂厚度m=5.95m。

結(jié)合工作面巖層情況知，可知直接頂厚度5.95m，由10煤層頂部的泥巖及粉砂巖的下部組成，其中泥巖厚度約為3.05m，粉砂巖厚度約為2.9m，直接頂以上的粉砂巖、細(xì)砂巖、粉細(xì)砂巖等構(gòu)成采場(chǎng)的基本頂。

3.2 頂板來(lái)壓步距

各個(gè)測(cè)站部位頂板初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距見表2。

由表2可得，8#支架代表的工作面上部，基本頂初次來(lái)壓步距27.6m；基本頂周期來(lái)壓步距8.4m～14.4m，基本頂平均周期來(lái)壓步距11.1m。36#支架代表的工作面中部，基本頂初次來(lái)壓步距18.8m；基本頂周期來(lái)壓步距8.4m～16.2m，基本頂平均周期來(lái)壓步距12.1m。43#支架代表的工作面中部，基本頂初次來(lái)壓步距21.9m；基本頂周期來(lái)壓步距12.6m～14.4m，基本頂平均周期來(lái)壓步距14.3m。75#支架代表的工作面下部，基本頂初次來(lái)壓步距18.9m；基本頂周期來(lái)壓步距9.6m～13.8m，基本頂平均周期來(lái)壓步距11.9m。89#支架代表的工作面下部，基本頂初次來(lái)壓步距18.8m；基本頂周期來(lái)壓步距9m～19.6m，基本頂平均周期來(lái)壓步距13.4m。

表2 各個(gè)測(cè)站部位頂板初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距

綜上分析，31004智能化綜采工作面基本頂平均初次來(lái)壓步距21.3m，基本頂平均周期來(lái)壓步距約為12.6m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，正常階段，直接頂基本隨采隨冒，無(wú)懸頂。

4 31004智能化綜采工作面軌道巷表面收斂變形監(jiān)測(cè)

31004智能化綜采工作面軌道巷為原31002工作面軌道巷采用高水材料充填巷幫沿空保留的巷道，為了掌握沿空巷道變形受采動(dòng)影響的變形破壞特征、高水材料充填幫支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征以及工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ姆植家?guī)律與實(shí)體煤幫的側(cè)向破壞范圍，為沿空留巷選擇合理的支護(hù)參數(shù)提供依據(jù)。巷道測(cè)站的監(jiān)測(cè)內(nèi)容有巷道表面位移監(jiān)測(cè)、巷道充填幫支護(hù)結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)和實(shí)體煤幫鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)。根據(jù)31004軌巷沿空留巷礦壓監(jiān)測(cè)要求及測(cè)站位置選擇的一般原則，從31004工作面開切眼始，在31004軌道巷中布置4個(gè)測(cè)站，沿31004工作面推進(jìn)方向分別為測(cè)站Ⅰ、測(cè)站Ⅱ、測(cè)站Ⅲ、測(cè)站Ⅳ，各測(cè)站間距30m，測(cè)站Ⅰ距離31004工作面開切眼20m。每個(gè)測(cè)站均進(jìn)行巷道表面位移監(jiān)測(cè)和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)，鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)在測(cè)站Ⅱ～Ⅳ進(jìn)行。

4.1 巷道表面位移監(jiān)測(cè)

巷道表面位移監(jiān)測(cè)從2021年3月15日起至2021年9月17日結(jié)束。觀測(cè)期間，測(cè)站Ⅲ由于被軌道巷存放的單體液壓支柱擋住，數(shù)據(jù)缺失較多。故舍去測(cè)站Ⅲ，只對(duì)測(cè)站Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ的巷道表面位移及位移速度進(jìn)行分析，測(cè)站Ⅳ巷道表面位移曲線如圖2所示。

圖2 測(cè)站Ⅳ巷道表面位移曲線

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制的巷道表面位移與觀測(cè)點(diǎn)距工作面距離間的關(guān)系及移近速度可以看出，測(cè)站距離工作面約50m以遠(yuǎn)，軌道巷兩幫及頂?shù)装逦灰屏繘]有大的變化。測(cè)站距工作面50m左右，兩幫和頂?shù)装逦灰屏块_始有所增加，但移近速度較低。在距工作面25m以內(nèi)，兩幫和頂?shù)装逡平俣乳_始增大并保持一定的位移速度，總的頂?shù)装逡平颗c兩幫移近量不大，兩幫移近量最大218mm，頂?shù)装逡平孔畲?16mm，兩幫移近量大于頂?shù)装逡平?。根?jù)31004工作面軌道巷表面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，可認(rèn)為軌道巷超前支承壓力影響范圍在面前25m范圍內(nèi)。31004工作面軌道巷高水材料充填幫隨工作面推進(jìn)，變形量不大，能夠承受工作面超前采動(dòng)影響，巷道整體穩(wěn)定。

4.2 軌道巷充填幫支護(hù)結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)

充填幫支護(hù)結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)從2021年3月15日起至2021年9月17日結(jié)束，在每個(gè)測(cè)站斷面充填幫安裝兩臺(tái)錨桿測(cè)力計(jì)，以觀測(cè)巷幫充填體隨工作面推進(jìn)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的變化情況。測(cè)站Ⅲ充填體支護(hù)結(jié)構(gòu)受力與觀測(cè)點(diǎn)距工作面距離間的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可以看出如下3點(diǎn)。1） 隨著工作面推進(jìn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且下幫部錨桿受力增長(zhǎng)幅度略大于上幫部。2） 監(jiān)測(cè)期間，錨桿受力最大104kN（26MPa），但充填體并沒有發(fā)生明顯的變形破壞，說(shuō)明充填體具有一定的承載能力。3） 測(cè)站Ⅲ下幫部錨桿在受力達(dá)到99.2kN～104kN（24.8MPa～26MPa）時(shí)，測(cè)力計(jì)出現(xiàn)讀數(shù)急劇下降現(xiàn)象，說(shuō)明錨桿受力可能超過(guò)其極限承載能力。

圖3 測(cè)站Ⅲ充填體錨桿受力變化曲線

5 結(jié)論

該文通過(guò)對(duì)31004工作面進(jìn)行常規(guī)的礦壓監(jiān)測(cè)、31004軌道巷表面收斂變形監(jiān)測(cè)、充填幫支護(hù)結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)等得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論。1） 采場(chǎng)頂板組成及活動(dòng)范圍：直接頂厚度5.95m，由10煤層頂部的泥巖及粉砂巖的下部組成，其中泥巖厚度約為3.05m，粉砂巖厚度約為2.9m；直接頂以上的粉砂巖、細(xì)砂巖、粉細(xì)砂巖等構(gòu)成采場(chǎng)的基本頂。2） 工作面基本頂來(lái)壓：31004工作面基本頂平均初次來(lái)壓步距21.3m；基本頂平均周期來(lái)壓步距12.6m。3） 31004工作面軌道巷超前支承壓力影響范圍在面前20m～30m。工作面軌道巷高水材料充填幫隨工作面推進(jìn)，變形量不大，能夠承受工作面超前采動(dòng)影響，巷道整體穩(wěn)定。4） 隨著工作面推進(jìn)，充填幫支護(hù)結(jié)構(gòu)受力呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且下幫部錨桿受力增長(zhǎng)幅度略大于上幫部。充填體沒有發(fā)生明顯的變形破壞，說(shuō)明充填體具有一定的承載能力。