霄云煤礦1310 孤島工作面初采礦壓規(guī)律

劉 超 王彥敏 王傳晨

（濟寧礦業(yè)集團有限公司霄云煤礦，山東 濟寧 272213）

以山東濟寧霄云煤礦1310 孤島工作面為研究對象，對其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行現(xiàn)場觀測，進而對觀測數(shù)據(jù)進行研究分析[1-6]，以期掌握該采煤工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對同工程條件下采場液壓支架的選型、支撐阻力的確定、巷道支護強度和范圍的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

1 工作面概況

霄云煤礦位于山東省金鄉(xiāng)縣霄云鎮(zhèn)。該礦1310工作面位于一采區(qū)東翼，生產(chǎn)水平為-790 m。工作面處于單斜構(gòu)造區(qū)域，走向長度745 m，傾向長度220 m。工作面東側(cè)為一、二采區(qū)邊界，二采區(qū)未進行采掘活動。1310 工作面南側(cè)為1312 采空區(qū)，北側(cè)為1308 采空區(qū)，如圖1。

圖1 1310 工作面周邊開采情況

開采3 號煤層厚1.4～4.3 m，平均3.5 m，煤層傾角為13°～19°，平均16°。1310 工作面煤層頂、底板巖性情況見表1。工作面采取后退式走向長壁綜合機械化一次采全高采煤法，配備ZY8000/20/42D 型支撐掩護式液壓支架151 臺，液壓支架自動跟機支護頂板，全部垮落法管理頂板。采用的ZQL2×2000/20/40/ ZQ4000/18/36 型兩柱單元式軌順超前支架的工作阻力為4000 kN。設(shè)計順槽超前支護距離為120 m，軌順雙排共80 架，皮順單排共50 架。

表1 1310 工作面頂、底板巖性情況表

2 綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

2.1 礦壓監(jiān)測測點布置

工作面液壓支架工作阻力采用KJ479 無線監(jiān)測系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)，工作面液壓支架總數(shù)為151，自膠帶巷1#架起，每逢尾號為1 進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，即1#、11#、21#……151#支架，共布置16 個測點。礦壓監(jiān)測系統(tǒng)全程記錄了各測點支架工作阻力隨時間變化情況。礦壓監(jiān)測點布設(shè)如圖2。

圖2 1310 工作面礦壓監(jiān)測點布設(shè)

2.2 工作面礦壓顯現(xiàn)情況

2.2.1 初撐力分析

采場支護系統(tǒng)中支架的初撐力至關(guān)重要，其作用有兩個：1）確保支架的增阻符合設(shè)計的支架增阻規(guī)律，保證支架處于合理的工作狀態(tài)，發(fā)揮其最大的支護性能；2）抑制頂板的早期下沉，最大限度地保持支架上方煤巖層的完整，防止冒頂及頂板上下位巖層的離層，有效避免動壓沖擊。根據(jù)規(guī)定，支架初撐力應(yīng)不小于25.2 MPa。各支架實測平均初撐力為20.97 MPa，為合格初撐力（25.2 MPa）的83.22 %。

2.2.2 支架工作阻力分析

支架阻力主要分布在20～30 MPa，該區(qū)間內(nèi)支架數(shù)量約占支架總數(shù)的55%，阻力不足20 MPa 的支架數(shù)量約占總數(shù)的26%。隨著監(jiān)測時間的增加，支架阻力不足20 MPa 占比逐漸減小，支架阻力超過30 MPa占比逐漸增大，支架支護性能利用率增大。

液壓支架來壓記錄的統(tǒng)計結(jié)果如圖3。在同一來壓時間段，沿傾斜方向上各支架來壓的時間節(jié)點不同步，說明在沿傾斜方向上各位置頂板運動不同步。同時，接近工作面上端頭側(cè)支架的來壓次數(shù)明顯少于下端頭側(cè)，說明頂板垮落步距在沿傾向上不一致。各支架密集來壓時間間隔相差較大，說明頂板來壓位置在走向上不均勻。

圖3 各支架阻力階段性篩選

1310 工作面兩側(cè)為采空區(qū)，通過數(shù)次現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，靠近兩順槽側(cè)的支架工作阻力均較小，一般在初撐力值附近輕微變化，未出現(xiàn)明顯增阻現(xiàn)象。其中以1#、151#架為代表，基本在20 MPa 左右。這主要是由于兩順槽頂板錨網(wǎng)主動支護及超前單元支架高強支護，加之工作面順槽采取了超前斷頂卸壓等措施而造成的。整體來看，在工作面來壓期間，工作面中部壓力要高于兩端頭區(qū)域，工作面中上部液壓支架在來壓期間均呈現(xiàn)較高壓力狀態(tài)，趨勢上下略有起伏；沿工作面推進方向，支架壓力呈波浪起伏趨勢。

從采場支架工作阻力利用程度來看，目前1310孤島面所裝備的ZY8000/20/42D 型掩護式液壓支架能夠滿足頂板控制要求，并有一定的富余量。因本面埋深相對較淺，且初采階段兩順槽提前進行了切頂預(yù)裂，回采期間覆巖運動相對比較平穩(wěn)。為確保后續(xù)1328 面等類似條件下孤島工作面的安全開采，加強支架對工作面地質(zhì)條件變化的適應(yīng)性，建議在類似條件其他工作面支架選型時，至少應(yīng)保持同一等級。

2.2.3 頂板來壓判據(jù)

計算各支架工作阻力的平均值及標準差，取支架阻力的“平均值+標準差/2”作為來壓的第一界定指標，取各支架循環(huán)末阻力的“平均值+標準差/2”作為來壓的第二界定指標。各支架阻力來壓臨界值分布趨勢如圖4。

圖4 各支架阻力來壓臨界值分布趨勢

1310 工作面初采期間初次來壓步距40～50 m，平均為46.1 m。圖4 中各支架來壓時長比在數(shù)值上不一致，介于20.21%～39.69%，說明采場各位置頂板運動不同步。以61#～81#液壓支架為代表，工作面中部來壓時長比相對較大，而該區(qū)間來壓臨界值較小，說明此區(qū)間頂板運動連續(xù)性和規(guī)律性較強。各支架循環(huán)末阻力和來壓次數(shù)近似負相關(guān)，即末阻力越高，來壓次數(shù)越少。

2.2.4 來壓強度分析

表2 為各支架循環(huán)末阻力統(tǒng)計結(jié)果。各測站支架實際循環(huán)末阻力為23.04～36.96 MPa，整體支架平均末阻力均值為30.86 MPa，占額定工作阻力（39.5 MPa）的78.12%，表明現(xiàn)有支架額定工作阻力滿足1310 工作面采場支護要求。同時，以41#、91#和131#架為代表的中部區(qū)間，支架循環(huán)末阻力均值較高，超過了額定工作阻力的70%。根據(jù)液壓支架工作阻力特征，求得頂板來壓期間的動載系數(shù)為1.4～1.9，表明頂板初次來壓時運動強度較大。

表2 支架末阻力利用率

2.2.5 工作面上位巖層運動

隨著工作面持續(xù)推進，高位巖梁將深入煤壁前方內(nèi)部斷裂。在對基本頂初次來壓步距和周期來壓步距統(tǒng)計分析基礎(chǔ)上，對采動覆巖上位巖梁運動特征進一步分析。1310 工作面下位巖梁為細砂巖，厚10.9 m，視為第一關(guān)鍵層；煤層上方38.2～50.4 m 位置存在厚度為12.2 m 的細砂巖，視為第二關(guān)鍵層；再上方至66.5 m 為第二關(guān)鍵層的隨動層。

以101#液壓支架阻力為例，如圖5，7 月19 日支架壓力達到來壓閾值，此為第一階段；7 月27 日—7 月29 日壓力迅速增加，此為第二階段；7 月29日之后壓力迅速降低到來壓閾值以下，此為第三階段。其中自27 日到29 日期間，工作面軌順側(cè)推進距離為97.8～102.7 m。

圖5 101#液壓支架阻力

上述三個階段對應(yīng)工作面與高位巖梁斷裂線的不同相對位置關(guān)系：

1）由于高位巖梁發(fā)生斷裂，壓力傳遞作用于煤壁和液壓支架。工作面在斷裂巖梁下方推進過程中到斷裂線的水平距離逐漸減小，因而作用在液壓支架上的壓力不斷增大。此過程對應(yīng)上述液壓支架阻力變化的第一階段。

2）當工作面推進至高位巖梁斷裂線下方附近，煤體承擔的載荷迅速減小。該區(qū)間內(nèi)斷裂巖體的重力主要作用在液壓支架上，因此阻力較高但持續(xù)時間較短。期間工作面推進距離約5 m，接近支架的控頂距。

3）當工作面推進穿過斷裂線后，液壓支架位于下一懸臂梁下方，因而第三階段阻力迅速降低。

基于上述分析可判定高位巖梁于7 月19 日左右破斷，對應(yīng)工作面軌順側(cè)從19～27 日的推進距離為76～97.8 m。根據(jù)101#液壓支架監(jiān)測數(shù)據(jù)，初步判定高位巖梁的初次斷裂位置約為97.8 m，斷裂時超前工作面煤壁21.8 m。

表3 高位巖梁斷裂位置統(tǒng)計

由于頂板運動的分區(qū)性，各支架監(jiān)測所得來壓步距介于8～30 m，其中工作面上部區(qū)域來壓步距較大、支架壓力較高，需保證支架足夠的初撐力。1310 工作面回采期間頂板周期來壓步距最大區(qū)域為30.13 m，最小區(qū)域為7.78 m，變化幅度達22.35 m。經(jīng)連續(xù)9 個周期來壓期間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得出，1310 工作面周期來壓步距平均為13 m。

3 超前支承壓力

受工作面采動影響，超前支承壓力測區(qū)內(nèi)單元支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)讀數(shù)隨之發(fā)生變化，分析其壓力變化可以總結(jié)工作面超前支承壓力分布規(guī)律，確定其支承壓力影響范圍及強度，為順槽超前加強支護提供科學依據(jù)，最大程度地保證工作面生產(chǎn)的安全與效率。

3.1 軌順單元支架壓力分析

由于7 月10 日—7 月17 日監(jiān)測系統(tǒng)故障、數(shù)據(jù)中斷，故將數(shù)據(jù)分兩個階段進行整理分析，得出第一階段和第二階段的軌道順槽單元支架壓力分布圖，以此分析1310 軌道順槽內(nèi)單元支架壓力隨工作面推進的變化趨勢，如圖6。

圖6 1310 軌道順槽單元支架壓力分布

通過大量數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計，結(jié)合軌順側(cè)單元支架與工作面煤壁的相對位置分析，可以得到以下規(guī)律：

1）1310 工作面推進過程中，煤壁和單元支架做相向移動。假定以煤壁為參照點并記為坐標原點，以順槽軸線超前方向為橫坐標軸正方向，則隨著開采時間延長，單元支架到煤壁距離越來越近。

2）基于上一條定義，當單元支架“相對移動”到距離采場煤壁一定距離范圍內(nèi)，便會受到采場超前支承壓力的動壓影響。隨著回采工作的進行，每個單元支架到煤壁的距離越來越近，支架壓力逐漸增大并逐漸達到卸壓閾值（40.9 MPa），進而出現(xiàn)卸壓現(xiàn)象。超前支承壓力將進一步使單元支架進入“增阻-卸壓”循環(huán)，從礦壓顯現(xiàn)方面直接表現(xiàn)為順槽鼓幫、底鼓、頂板下沉等現(xiàn)象加劇，由此可確定超前支承壓力的影響范圍。

3）軌順側(cè)超前卸壓區(qū)的范圍為回采煤壁至超前6～10 m，該卸壓狀態(tài)受工作面采煤和切頂?shù)木C合影響；工作面超前10～60 m 范圍內(nèi)單元支架壓力基本達到卸壓閾值，劃定為超前支承壓力劇烈影響區(qū)；超前60～95 m 范圍內(nèi)單元支架壓力隨相對位置變化，距離工作面越近，支架壓力越大，因此將該區(qū)間劃定為超前支承壓力影響區(qū)；超前95～130 m 范圍內(nèi)單元支架壓力整體較低且變化趨勢和幅度較小，劃定為無影響區(qū)。

4）在兩個時間段內(nèi)工作面超前支承壓力的影響范圍和劇烈程度有所變化。第二階段自7 月19日以來，工作面相對達到快速并保持勻速推進，其展現(xiàn)在單元支架數(shù)據(jù)上的影響區(qū)間和變動頻率較之前明顯增大。從數(shù)值上，工作面軌順側(cè)超前卸壓區(qū)范圍從6 m 增加到10 m，劇烈影響區(qū)從40 m 增加到60 m，輕微影響區(qū)從100 m 增加到115 m。監(jiān)測過程中，個別單元支架壓力在監(jiān)測時間段內(nèi)壓力較小甚至接近0 值，此處判定為噪點并予以剔除。

AHEADTM將綜合汽車膠粘劑、高性能彈性體、工程熱塑性塑料、制動液/特種潤滑劑、電子材料、高性能纖維及安全材料，為以下應(yīng)用提供創(chuàng)新解決方案：

3.2 膠順單元支架壓力分析

1310 膠帶順槽內(nèi)單元支架壓力隨工作面推進的變化趨勢如圖7。

圖7 1310 膠帶順槽單元支架壓力分布

結(jié)合皮順側(cè)單元支架壓力與工作面煤壁的相對位置分析，可以得到以下規(guī)律：

1）1310 工作面皮順側(cè)超前范圍內(nèi)無明顯卸壓區(qū)；超前65 m 范圍內(nèi)為支承壓力劇烈影響區(qū)；超前65～105 m 為影響區(qū)；超前105～125 m 為無影響區(qū)。

2）工作面膠帶順槽多架單元支架阻力表現(xiàn)出較大的變化趨勢，分析認為與工作面周期來壓相關(guān)。

個別支架工作阻力接近0 值，數(shù)據(jù)處理篩選時按無效數(shù)據(jù)剔除處理，同時建議進行定期檢查校核。

3.3 工作面上位巖梁運動分析

在上述基本頂初次來壓步距和周期來壓步距統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，為探索更大范圍的覆巖運動對1310 工作面采場支架阻力及支承壓力的影響程度，需對采動覆巖上位巖梁運動特征作進一步分析。1310 工作面下位巖梁為細砂巖，厚10.9 m，視為第一關(guān)鍵層；煤層上方38.2～50.4 m 存在厚度為12.2 m 的細砂巖，視為第二關(guān)鍵層；再上方至66.5 m 為第二關(guān)鍵層的隨動層。下位巖梁破斷之后，其上方隨動層逐步破斷和冒落，支承壓力影響范圍隨之增大。隨著工作面持續(xù)向前推進，高位巖梁將深入煤壁前方內(nèi)部斷裂，支承壓力顯現(xiàn)分為內(nèi)、外兩個應(yīng)力場。根據(jù)工作面回采過程中液壓支架工作阻力的變化情況，可推算出高位巖梁斷裂的大致位置。工作面覆巖結(jié)構(gòu)及內(nèi)-外應(yīng)力場示意圖如圖8。

圖8 工作面覆巖結(jié)構(gòu)及內(nèi)-外應(yīng)力場示意

從工作面超前支承壓力等觀測結(jié)果來看，超前支承壓力影響高峰區(qū)范圍較大、幅值較高，在保證現(xiàn)有巷道錨網(wǎng)支護和單元支架支設(shè)質(zhì)量的前提下，適當加大順槽超前支護的范圍?，F(xiàn)場軌道順槽超前支護距離不變，后期膠帶順槽超前支護距離增加至150 m。

4 結(jié)論

1310 工作面是霄云煤礦恢復(fù)生產(chǎn)后接續(xù)開采的第一個長壁孤島工作面。孤島工作面支承壓力較正常工作面大，煤體內(nèi)應(yīng)力集中明顯，進而對采動應(yīng)力產(chǎn)生較大影響。為探索該類地質(zhì)與開采技術(shù)條件下的孤島綜采面礦壓分布規(guī)律，上覆巖層運動范圍及運動參數(shù)，超前支承壓力分布特點、范圍和程度，從而為礦井后續(xù)生產(chǎn)技術(shù)管理提供科學依據(jù)，以1310 孤島綜采面初采過程中礦壓監(jiān)測及后續(xù)整理分析工作為基礎(chǔ)，摸索出了該類條件下的初采礦壓規(guī)律，主要得出：

1）根據(jù)現(xiàn)場實測綜合判定1310 基本頂初次來壓步距約40～50 m，平均為46.1 m。

2）1310 工作面周期來壓步距平均為13 m，頂板來壓期間的動載系數(shù)為1.4～1.9。

3）工作面來壓具有分段（區(qū)）性，沿工作面傾斜方向工作面中下部（靠近機尾頭）先來壓，后逐漸向上部轉(zhuǎn)移，最終發(fā)展為整個工作面來壓。

4）支架整體平均初撐力為20.97 MPa，為合格初撐力（25.2 MPa）的83.22 %。支架循環(huán)末阻力為23.04～36.96 MPa，均值為30.86 MPa，占額定工作阻力的78.12%。

5）分析了兩順槽單元支架支撐壓力隨工作面推進距離增加的變化規(guī)律，為順槽超前支護的合理性提供理論依據(jù)。