李雅莊煤礦松軟底板中硬煤層采場礦壓規(guī)律研究

解俊祥 霍州煤電李雅莊煤礦，山西霍州 031400

李雅莊煤礦松軟底板中硬煤層采場礦壓規(guī)律研究

解俊祥 霍州煤電李雅莊煤礦，山西霍州 031400

本文以李雅莊礦2-226綜采工作面作為主研究對象,利用KJ216頂板(壓力)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，總結出工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并針對性地改革了本礦原有支護措施, 為礦井高產、高效、安全、低耗實現(xiàn)均衡生產創(chuàng)造了條件。

松軟底板;中硬煤層;采場;礦壓規(guī)律

引言

松軟底板的底臌問題是困擾李雅莊煤礦正常生產的核心技術難題之一，特別當開采煤層硬度為中硬以上時，底臌問題更加嚴重。當下李雅莊煤礦的開拓掘進人數(shù)近500人，目前每天底臌起底和維修巷道人數(shù)大約有200人左右。226工作面的超前支護段的底臌問題已經嚴重困擾了工作面的正常推進。本文首先對226回采工作面的礦壓規(guī)律進行布點觀測，總結松軟底板中硬煤層條件下厚煤層開采的礦壓規(guī)律，并針對性的改革了原有支護措施，為礦井高產、高效、安全、低耗生產提供了條件。

1 工作面概況

李雅莊礦2-226工作面位于二采區(qū)前進方向的左翼，工作面為二采區(qū)末端采面，西與2-224采空區(qū)相鄰，南與礦井邊界相鄰；北與六采區(qū)邊界接壤；東部距礦井邊界200～270m，埋藏深度568m～664m。

該工作面回采1#、2#合層煤，煤層厚度為3.2m～3.8m，煤層平均厚度為3.5m；煤層總體為單斜構造，煤層傾角為3 °～13°，平均5°；直接頂為2.34m～3.87m的砂質泥巖，基本頂為2.1m～3.85m細砂巖，偽頂為0～0.34m泥巖；直接底為1.6～2.6m粉砂巖，基本底為2.34～3.54細砂巖；工作面采用兩進一回的通風方式；采用后退式一次采全高綜合機械化采煤方法, 全部垮落法管理采空區(qū)；工作面所用采煤設備為MG500/1210-GWD型交流電牽引采煤機一臺,SGZ-1000/1400型刮板輸送機一部， ZY-7200/19/40 型液壓支架114架。正巷安裝設備：SSJ-1000/2*160重型可伸縮膠帶機一部，長度為1300m，Z Y 2 7 0 0型自移機尾一部，長1 2.5 m，PCM200型錘式破碎機一臺，SZZ-1000/ 375型順槽用刮板轉載機一部，轉載機與破碎機總長40.5m。正巷口安裝注氮機一部，安裝DX80防爆蓄電池單軌吊車一部，長1200m。副巷：安裝KWJ90型無極繩絞車一部1400m，副巷口安裝JD-25調度絞車兩部。距端頭約50m處為工作面配電點，安裝1000KVA/1140/660V、2500KVA/ 3300V礦用負荷中心三臺，BRW400/31.5型大流量乳化液泵站兩套及噴霧泵兩臺。安裝BDLG-120型電纜拖掛單軌吊一部。副巷貫眼內安裝局部通風機及瓦斯抽放泵。

正巷超前支護動態(tài)保持不少于3 0 m，一梁三柱(單體液壓支柱)4.2mπ型梁棚管理；副巷超前支護動態(tài)保持不少于30m，單體液壓支柱配合1.8mπ型梁管理。

2 礦壓觀測設備及方案

2.1 礦壓監(jiān)測設備

我礦采用山東省尤洛卡自動化裝備股份有限公司生產的KJ216頂板(壓力)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)——綜采支架工作阻力監(jiān)測子系統(tǒng)。

綜采支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)用于煤礦綜采工作面的支護工作阻力在線監(jiān)測。系統(tǒng)現(xiàn)場總線采用標準RS485數(shù)據(jù)總線，總線可連接64臺壓力監(jiān)測分站，壓力監(jiān)測分站可現(xiàn)場實時顯示支架工作阻力、最大工作阻力。通訊分站控制巡測下位壓力監(jiān)測分站，通訊分站的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位通訊主站。

綜采支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)采用配套KDW28型礦用防爆電源供電。每臺供電電源可負載一臺通訊分站（通訊分站結構見圖1）和15臺壓力監(jiān)測分站（通訊分站連接示意圖2），每超過15臺壓力監(jiān)測分站增加一臺供電電源。

圖1 通訊分站結構示意圖

圖2 通訊分站連接示意圖

2.2 礦壓監(jiān)測方案

（1）沿工作面傾斜方向,每隔5-6架在支架的前后柱各安裝一塊壓力連續(xù)監(jiān)測記錄儀,連續(xù)觀測支架前后柱的初撐力、工作阻力、時間加權阻力等。

（2）沿工作面傾斜方向,每隔5～6架,即與液壓支架載荷測站同步設宏觀統(tǒng)計測站,對端面頂板及煤壁的破碎情況進行統(tǒng)計,同時,對工作面支架安全閥開啟情況進行全面統(tǒng)計。

（3）每五日對在線監(jiān)測數(shù)據(jù)做一次分析、匯總，每月寫一篇總結報告，并根據(jù)分析統(tǒng)計情況預測下一次來壓時間，以做好防備工作。

3 觀測結果分析

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、匯總

自2010年4月以來，根據(jù)每月對在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、匯總，通過離散型數(shù)據(jù)分析（圖3），得出2-226工作面初次來壓步距、平均來壓周期和平均來壓步距的結論。

2-226工作面初次來壓步距為14m，正常割煤期間平均來壓周期為3天，平均來壓步距14.4m。

圖3 李雅莊煤礦2-226綜采工作阻力歷史數(shù)據(jù)分析曲線圖

2010年4 月至2011年1月2-226工作面每月平均來壓周期、來壓步距如下表1所示。

表1 每月平均來壓周期、來壓步距表

分別通過離散點分析和折線分析來壓周期和步距如圖4、圖5所示。

圖4 來壓周期表

圖5 來壓步距表

3.2 影響工作面來壓步距、來壓周期的因素主要分析

3.2.1 工作面推進速度

圖6 特殊時期來壓周期情況

根據(jù)對在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結果（圖4、圖5），工作面正常割煤期間（每天割6刀煤）來壓步距12m～16m，平均14m，來壓周期平均3天；工作面煤壁片幫量較小，頂板情況較好，兩巷超前礦壓顯現(xiàn)較小。在特殊情況下（圖6）（每天割3刀煤）來壓步距15m～28m，平均21.5m，來壓周期平均8天；老頂斷裂時間較長，工作面液壓支架長時間處在高應力區(qū)段，煤壁片幫量相對有所增多，頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，兩巷超前礦壓顯現(xiàn)較明顯，不利于工作面安全管理和設備的維護。

工作面推進速度較快時，臺階巖梁結構模型起主導作用（圖7）。工作面推進過程中，頂板還沒有完全破壞，巖塊之間仍然有一定的鉸接力進行連接，頂板只有很少的一部分力作用在液壓支架上；隨著工作面的繼續(xù)推進，由于鉸接關系（砌體梁）的存在液壓支架上承受的力也隨之繼續(xù)增加，當頂板巖塊之間的連接力不能滿足支撐上覆巖層的重量時，在采空區(qū)垮落，液壓支架上顯現(xiàn)的力也突然減小。

圖7 臺階巖梁結構模型

工作面推進速度較慢時，砌體梁結構模型起主導作用（圖8）。工作面推進過程中，上覆巖層砌體梁之間的連接，也會形成鉸接形式，因為推進速度較慢，鉸接效果較好，液壓支架這時就充當了一個支點；隨著工作面的繼續(xù)推進，由于鉸接關系（砌體梁）的存在液壓支架上承受的力也隨之繼續(xù)增加，當頂板巖塊之間的連接力不能滿足支撐上覆巖層的重量時，在采空區(qū)垮落，液壓支架上顯現(xiàn)的力也突然減小。

圖8 砌體梁結構模型

3.2.2 工作面埋深

2-601 工作面和2-226工作面選用的設備、地質條件和支護形式基本相同，但是，2-601工作面埋藏深度在460m～570m之間，2-226工作面埋藏深度在568m～664m之間。2-601工作面來壓步距平均22m，來壓周期4.5天。相對2-226工作面來壓步距和周期都比較長，我們大膽假設在相同條件下埋藏深度越淺來壓步距、來壓周期就越長。建立簡單模型（圖 9）進行計算:

圖9 上覆巖層示意模型

式中 F ——上覆巖層之間的鉸接力，設為定值；

f——上覆巖層作用在鉸接處所施加的力；

g——重力加速度9.81m/s2；

H——上覆的埋藏深度；

s——上覆巖層塊狀巖石的長度，設為定值；

從式中可以看出：當H越大時f越大，也就是說開采深度越大時，上覆巖層作用在鉸接處所的力越大，巖塊鉸接處越容易斷裂，來壓步距越小。

另外，影響周期來壓步驟的因素還有：

①季節(jié)：從觀測數(shù)據(jù)上來分析，夏天工作面來壓步距、來壓周期較小，而冬天來壓步距、來壓周期卻較長；

②構造：在構造段來壓步距、來壓周期有所變化，通常是變小，但是有時也會出現(xiàn)變大的情況。

4 結論

通過礦壓觀測基本摸清工作面上覆巖層的運動規(guī)律,并制定了針對性的措施,加強頂板管理, 指導工作面安全生產,為礦井高產、高效、安全、低耗實現(xiàn)均衡生產創(chuàng)造條件。同時，驗證了工作面三機配套的合理性、設備運行的可靠性,為礦今后在綜采工作面設備選型上,提供了有益的借鑒。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.11.024