厚煤層綜放工作面礦壓規(guī)律研究

＊倪先杰 孫茂如 汪小平 張旬 洪士保 郭敬中

（1.中煤新集能源股份有限公司板集煤礦 安徽 236744 2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院 河北 065201）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，煤炭資源需求增大。礦井安全在礦井生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位，礦井壓力是制約礦井安全的一個(gè)重要因素，其規(guī)律的研究對(duì)于保障礦井的安全生產(chǎn)具有重要意義。通過(guò)對(duì)礦井壓力的分析與研究，可以對(duì)礦井的回采順序進(jìn)行合理的安排，采用合理的回采方式，以及最優(yōu)的支護(hù)方案[1-2]。在我國(guó)，由于采動(dòng)干擾的作用，工作面兩側(cè)巷道的礦壓顯現(xiàn)和支護(hù)問(wèn)題是制約煤礦井下高效、安全生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵因素[3-5]。尚延輝等[6]通過(guò)對(duì)礦井下壓力觀(guān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)布置，成功地實(shí)現(xiàn)了采場(chǎng)巷道圍巖應(yīng)力及變形的實(shí)時(shí)監(jiān)控及相關(guān)分析；張志立等[7]利用頂板離層儀、錨桿（索）測(cè)力計(jì)和鉆孔應(yīng)力計(jì)等設(shè)備對(duì)煤礦的目標(biāo)工作面的運(yùn)輸順槽或采空區(qū)下孤島工作面的掘進(jìn)過(guò)程對(duì)礦山壓力進(jìn)行觀(guān)測(cè)；申創(chuàng)華[8]對(duì)工作面材料順槽的圍巖變形規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，通過(guò)結(jié)果采取不同的加固方式，有效增強(qiáng)了巷道的穩(wěn)固性，極大地提升了煤礦開(kāi)采的安全性，確保了煤礦的安全生產(chǎn)。因此，本項(xiàng)目以某礦厚煤層工作面為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)手段，重點(diǎn)研究其采動(dòng)影響下的礦壓顯現(xiàn)特征及演變規(guī)律，以期為同類(lèi)工程提供借鑒。

1.工作面概況

某礦厚煤層工作面位于8#煤三下盤(pán)區(qū)，煤層傾角為3°～6°，平均4°左右；煤層的平均層厚約為7.0m，煤層采高3.7m，放頂煤3.3m，工作面的長(zhǎng)度200m。工作面的直接頂主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖；基本頂?shù)膸r性主要是粗砂巖和粉砂巖；而直接底則主要是細(xì)砂巖、中砂巖、粉砂巖。該工作面使用“錨桿+錨索”聯(lián)合支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)。

2.工作面液壓支架周期來(lái)壓分析

(1)工作面初采階段來(lái)壓特征

在工作面初采期間（0～50m），工作面頂板未發(fā)生明顯變形，老頂和直接頂未發(fā)生離層；工作面未發(fā)生大面積來(lái)壓現(xiàn)象。工作面壓力基本都由初撐力保證，約為25.2～30.0MPa。綜放工作面初采0～50m礦壓曲面如圖1所示。

圖1 工作面初采期間礦壓曲面圖

圖2 工作面正?；夭善陂g礦壓曲面圖

如圖1所示，工作面初次來(lái)壓步距為73m，來(lái)壓期間工作面頂煤及直接頂垮落、老頂初次垮落。工作面初采期間（50～100m）兩順槽圍巖未發(fā)生明顯變形，老頂和直接頂也未發(fā)生離層；工作面遭受了初次來(lái)壓以及兩次周期性來(lái)壓的壓力，安全閥的開(kāi)啟情況較為嚴(yán)重，礦壓規(guī)律相對(duì)復(fù)雜，來(lái)壓步距不穩(wěn)定。來(lái)壓范圍主要在35#～75#架，在工作面回采期間，支架的載荷為25.2～58.4MPa，其平均載荷為36.9MPa。在來(lái)壓時(shí)的支架載荷為0～48.4MPa，平均載荷是44.6MPa。非來(lái)壓時(shí)的支架載荷介于25.2～40MPa之間，平均載荷約為32.6MPa。而其動(dòng)載系數(shù)平均在1.22～1.79之間。

(2)正常回采階段來(lái)壓特征

在工作面正?；夭善陂g（150～200m），工作面主要經(jīng)受了12次周期來(lái)壓，此時(shí)周期性來(lái)壓現(xiàn)象相對(duì)較為緩和，安全閥未見(jiàn)嚴(yán)重開(kāi)啟現(xiàn)象。然而，由于頂板破碎程度較高，導(dǎo)致礦壓規(guī)律變得復(fù)雜，進(jìn)而導(dǎo)致來(lái)壓步距的穩(wěn)定性不佳。來(lái)壓范圍以35#～65#架為主，50#架周?chē)亲畲蟮膲毫^(qū)。在回采過(guò)程中，支架的載荷范圍為25.2～53.0MPa，平均載荷約為30.7MPa。在來(lái)壓時(shí)支架的載荷范圍為40～53.0MPa，平均載荷約為42.7MPa。非來(lái)壓時(shí)的支架載荷為25.2～40.0MPa，平均載荷約為27.8MPa；其動(dòng)載系數(shù)平均在1.43～1.90之間。

3.巷道圍巖變形破壞特征分析

礦壓監(jiān)測(cè)站在工作面的進(jìn)風(fēng)巷道、回風(fēng)巷道布置位置見(jiàn)圖3。

圖3 巷道礦壓觀(guān)測(cè)站位置布置示意圖

(1)表面位移變形分析

從圖4可以看出，伴隨工作面的掘進(jìn)開(kāi)始，進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷出現(xiàn)較大變形量的位置在距離工作面0～60m處，最大受壓區(qū)域在20m左右。伴隨回采工作面的掘進(jìn)，巷道圍巖的變形破壞速率不斷加快，導(dǎo)致巷道表面位移量的快速增加，工作面超前支承的影響范圍在60m左右，嚴(yán)重影響范圍為20m。進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷的頂板和底板累積變形在500mm左右，兩幫移近量累積在90～120mm之間。雙巷頂?shù)装遄冃瘟枯^大，需注意巷道頂?shù)装宓闹ёo(hù)。

圖4 工作面雙巷變形特征

(2)頂板離層分析

由圖5可知，進(jìn)風(fēng)巷道測(cè)站距工作面75m時(shí)，頂板離層開(kāi)始初步產(chǎn)生；在距工作面40m處，第一次受采動(dòng)影響發(fā)生離層；在距工作面20m處影響加大，累計(jì)變形量為98mm。工作面回風(fēng)巷道頂板圍較巖穩(wěn)定、離層量很小，且每一測(cè)點(diǎn)的位移變化量穩(wěn)定，累計(jì)離層量?jī)H為29mm。工作面的淺部巖體（2.5～5m）可能產(chǎn)生了小離層，深部巖體（7.5～10m）幾乎沒(méi)有發(fā)生離層。

圖5 多點(diǎn)位移計(jì)離層監(jiān)測(cè)位移曲線(xiàn)

(3)錨桿(索)受力分析

由圖6可知，伴隨著工作面推進(jìn)，測(cè)站與距工作面之間的距離變短，錨桿測(cè)力計(jì)的讀數(shù)會(huì)逐漸緩慢增大。當(dāng)工作面推進(jìn)至距測(cè)站20～22m時(shí)，超前支承應(yīng)力達(dá)到峰值狀態(tài)，雙巷錨桿（索）受力峰值均位于頂板錨索測(cè)點(diǎn)，且進(jìn)風(fēng)巷錨桿（索）受力峰值最大，約為80kN。

圖6 錨桿受力變化曲線(xiàn)

4.結(jié)論

（1）工作面來(lái)壓時(shí)的支架載荷平均為44.6MPa，來(lái)壓規(guī)律復(fù)雜、不穩(wěn)定，來(lái)壓集中在工作面中部，來(lái)壓步距約為73m，動(dòng)載系數(shù)平均為1.22～1.79。

（2）工作面正?；夭善陂g周期來(lái)壓現(xiàn)象較為緩和，安全閥未見(jiàn)嚴(yán)重開(kāi)啟現(xiàn)象，來(lái)壓范圍集中在中前部，來(lái)壓時(shí)支架載荷平均為42.7MPa，動(dòng)載系數(shù)平均為1.43～1.90。

（3）伴隨回采工作面的掘進(jìn)，巷道圍巖的變形損壞速率不斷增長(zhǎng)，導(dǎo)致巷道表面位移量也在快速增加。工作面超前支承影響的范圍在60m左右，嚴(yán)重影響范圍為20m。工作面的雙巷頂?shù)装謇塾?jì)受力變形最大，變形量約為500mm；頂板錨桿（索）受力約為80kN，離層量為98mm且發(fā)生在淺部。