高地壓礦井首采工作面礦壓規律實測研究

李 想 馬 洼 李紅友 蘇桂虎

（山東魯能菏澤煤電公司郭屯煤礦，山東省鄆城縣，274700）

高地壓礦井首采工作面礦壓規律實測研究

李 想 馬 洼 李紅友 蘇桂虎

（山東魯能菏澤煤電公司郭屯煤礦，山東省鄆城縣，274700）

郭屯煤礦屬于高地壓礦井，且首采1302綜采工作面具有沖擊地壓現象。為了研究高地壓條件下礦井首采面的礦壓規律，對其礦壓顯現規律和沖擊地壓現象進行監測并加以分析，以便評價沖擊地壓條件下的支架適用性并提出有效的防治沖擊地壓措施。經過現場實測分析得出：工作面初次來壓步距48.5m，周期來壓步距24.5m，并且在開采1302首采工作面時，工作面內發生沖擊地壓的可能性較小。

沖擊地壓 首采面 礦壓顯現 支架工作阻力

對于具有沖擊地壓危險性的工作面，特別是首采工作面，掌握其礦壓顯現規律是很有必要的。對該條件下的工作面進行系統、全面和針對性的礦壓觀測，不僅是工作面支架設計選型是否合理的直接依據，而且對于防治沖擊地壓實現工作面安全回采也是十分重要的。為此對郭屯煤礦1302工作面進行礦壓規律和沖擊地壓監測，以了解頂板的運動規律，合理組織生產，實行科學管理頂板，實現安全高效生產。

1 工作面條件

1.1 概況

1302工作面位于郭屯煤礦工業廣場以西偏北，井下位于一采區軌道石門以北，是郭屯煤礦的首采工作面，四周均為實體煤。工作面地面標高為43.7～44.1m，工作面標高為－748.9～－811.9m，走向長平均540m，傾向長200m。該工作面開采3＃煤層，煤層賦存穩定，結構簡單。開采范圍內平均煤層厚度2.2m，局部含偽頂，偽頂為炭質泥巖，厚度0～1.5m，直接頂為中細砂巖，厚8.0m，下距三灰巖層約68.59m。煤層具有強沖擊性，頂板具有弱沖擊性。其頂底板巖性柱狀圖見圖1。

1.2 生產技術條件

1302工作面采用綜合機械化走向長壁后退式采煤法。采用MG550／1220－WD型交流電牽引雙滾筒采煤機割煤，采煤機上（下）行割煤，往返一次割兩刀，采高2.3m，采用全部垮落法管理頂板，循環進尺0.8m。采用端頭割三角煤斜切進刀方式。

圖1 頂底板巖性柱狀圖

1302綜采工作面選用ZY8500／21／45型掩護式液壓支架106架，兩巷端頭采用ZYT8800／21／45型掩護式端頭液壓支架各2架，ZYG8800／21／45型掩護式過渡液壓支架各1架。

2 觀測儀器及方法

2.1 測站布置

沿工作面斜長方向分為17個區域進行液壓支架支護阻力監測，自運輸巷向回風巷方向分別在3＃、9＃、16＃、22＃、29＃、36＃、43＃、50＃、57＃、64＃、71＃、78＃、85＃、93＃、99＃、106＃、112＃綜采液壓支架上安裝17臺支架壓力實時監測分機，對綜采支架初撐力、工作阻力進行實時監測。布置示意圖見圖2。

圖2 測站布置示意圖

超前支承壓力分布的觀測采用頂板動態法，在回風巷布置5臺頂板動態儀，間距一般為5.0m，局部地段作適當調整。頂板破碎度統計觀測采用全工作面監測方法，選取17個測點進行日常監測。

2.2 觀測方法

（1）綜采工作面液壓支架支護阻力觀測按移架循環進行，每循環觀測1次。支架工作阻力用KJ－345礦用液壓支架壓力監測系統連續觀測。

（2）在回風巷內采用基點法觀測頂底板下沉量，巷道移近量觀測儀器安裝示意圖如圖3所示，每次觀測均記錄頂板動態儀至煤壁的距離，每2h測1次。當離工作面煤壁最近的頂板動態儀距離煤壁0m時，將該動態儀回撤，支設到巷道前方，與最前方動態儀的距離為5.0m，循環支設。

圖3 巷道移近量觀測儀器安裝示意圖

（3）采場支護質量與頂板動態統計觀測。沿工作面方向，每隔10架進行端面頂板破碎情況觀測，包括：煤壁片幫深度c、頂板冒落高度h、端面距b、頂梁第1接頂點距梁端距離a及頂板冒落寬度d等，見圖4。工作面礦壓觀測使用儀器見表1。

圖4 端面頂板破碎度觀測示意圖

表1 礦壓觀測儀器

3 觀測結果分析

3.1 直接頂初次垮落

1302綜采面采用偽斜開采布置，當1302綜采面推進到距切眼9m時，95＃～100＃架（斷層破碎帶處）后方直接頂冒落，其他支架處，推進到距切眼大約11m時，直接頂的初次垮落由工作面下部開始，然后依次為工作面中部、上部順序垮落。結合現場實際觀測和支架壓力顯現可以得到直接頂的初次垮落步距平均為13.6m，最大為15.9m，采空區內巖石冒落充分，直接頂板具有一定的穩定性。

3.2 老頂初次來壓

當工作面下端推進到54.6m、上端推進到26.5m時，頂板活動趨于劇烈，支架壓力增阻速率顯著增大，部分支架安全閥開啟，煤壁出現較大范圍的片幫，片幫深度最大達到1.0m，說明此時老頂開始斷裂。工作面中下部首先來壓，然后向兩端發展，由于1302綜采工作面推進速度較慢，老頂持續來壓時間3d左右。來壓期間沒有發生冒頂事故，片幫深度平均為710mm，工作面正常推進。

頂板斷裂過程中支承壓力顯現壓縮和反彈現象，來壓前回風巷移近速度明顯增大，形成一個高峰階段，煤壁前方4m、7m點在壓縮后出現明顯的反彈段，表明此時老頂在煤壁前方斷裂，隨后巷道頂底板移近速度開始明顯增大，進入來壓階段。

由此斷定，根據礦壓知識，加上8m的開切眼寬度，1302工作面的老頂初次來壓步距為：L0＝（54.6＋26.5）／2＋8＝48.5m。

3.3 老頂周期來壓

老頂初次來壓以后，頂板活動又趨于平穩，隨著工作面的繼續推進，支架壓力開始出現周期性變化。通過對9個支架壓力分站的數據分析統計，得到3個周期來壓參數并進行分析。

工作面下端推進到77.5m、上端推進到74.5 m時，工作面繼初次來壓后礦壓顯現再次明顯劇烈，液壓支架工作阻力增大，煤壁片幫范圍及深度增大，片幫時伴有響聲。煤壁前方固定點移近速度出現周期性的“壓縮—反彈—壓縮”現象。由此可以斷定，老頂發生了第一次周期來壓，其來壓步距為L1＝35.4m。

當工作面下端推進到95.8m、上端推進到91m時，老頂出現第二次周期來壓，來壓步距L2＝17.4m；當工作面下端推進到121m、上端推進到107m時，工作面出現第三次周期來壓，來壓步距L3＝20.6m。分析以上結果得出周期來壓步距為17.4～35.4m，平均為24.5m。

煤壁前方固定點移近速度在整個觀測期間工作面推進方向上的變化情況見圖5。由此可見，頂板周期來壓前的端部斷裂，在煤壁前方形成明顯的壓縮現象，在斷裂處前方能夠捕捉到反彈信息，周期來壓前兆為1個壓縮反彈段。

圖5 煤壁前方固定點移近速度在推進過程中的變化曲線

4 支架工作狀態分析

通過對支架的初撐力P0和循環末工作阻力Pm的統計分析，考察液壓支架的工作狀態。

4.1 支架初撐力P0

實測支架初撐力在觀測期間平均值為25.1 MPa，支架設計初撐力為30MPa，為該支架額定初撐力的83.7%，來壓期間支架初撐力平均為25.7MPa，占支架額定初撐力的85.7%。初撐力分布見表2。

表2 初撐力（P0）頻率分布表

由表2可以看出，24～28MPa的初撐力占63.6%，24～30MPa的占79.1%，這說明工作面支架整體初撐力較高。由于支架初撐力發揮較好，工作面開采期間直接頂沒有出現離層現象，煤壁片幫在來壓期間明顯顯現，沒有出現端面頂板破碎漏頂現象，也未出現支架明顯下滑和倒架現象。初撐力對頂板起到及時支護作用，控制住了頂板的早期離層，起到及時護頂作用。

但是支架初撐力在0～20MPa的占5%，說明有一部分支架初撐力太低。初撐力過低致使工作阻力也難以增加上去，容易造成支架受力不均，壓力大時容易造成支架損壞，對工作面整體支護效果不利。所以應加強初撐力注液質量管理，使支架初撐力盡可能大于24MPa。分析認為部分支架初撐力偏低主要有以下兩個原因：部分支架管理不力，存在漏液現象；升柱時注液時間較短。總體來說支架初撐力滿足要求。

4.2 工作阻力Pm

在觀測期間實測支架工作阻力平均值為35.2MPa，支架設計工作阻力為45MPa，為該支架額定工作阻力的78.2%，來壓期間支架工作阻力為39.8MPa，占額定工作阻力的88.4%。工作阻力分布見表3。

表3 工作阻力（Pm）頻率分布表

由表3可知26.0～38.0MPa的工作阻力占51.2%；有近55.7%的工作阻力大于34.0MPa；工作阻力在30.0MPa以上的占76.3%以上。從實測平均工作阻力和分布特征來看，支架工作阻力的大小及分布與支架的額定工作阻力相比，其工作阻力的有效發揮程度較高，只有很少數支架的安全閥沒有開啟，支架整體處于理想工作狀態。

4.3 支架支護強度分析

一般采場支架對老頂采取“給定變形”工作方案，也就是說支架可以不承擔其作用力，故兩者在相互作用的動態過程中不存在力學平衡關系，不能用實測的支架阻力反算老頂的厚度，在確定頂板支護強度時可以不考慮老頂厚度的影響。

對于支架的合理支護強度，采用頂板巖重法進行計算，計算如下：

式中：Pt——工作面合理的支護強度；

K——支架上方頂板厚度系數，取8倍采高巖層厚度；

H——工作面采高，取平均值3.5m；

γ——頂板巖石容重，取2.6t／m3；

g——重力加速度，取9.8m／s2。

將以上取值代入式（1）得：Pt＝713.44（kN／m2）。工作面支護強度應大于713.44kN／m2，即0.713MPa，而ZY8500／21／45型掩護式液壓支架的支護強度為1.0～1.05MPa，滿足工作面支護要求。

5 工作面沖擊地壓監測

1302工作面具有沖擊地壓危險性，應對其進行沖擊地壓監測，并采用頂板動態監測、應力監測、鉆屑法監測、便攜式電磁輻射監測相結合的綜合監測方法。

（1）頂板動態監測數據分析。1302工作面回風巷頂底板循環移近量平均為48.8mm，最大為74.5mm，最大移近速度為15.5mm／d。

（2）工作面鉆屑法檢測結果。煤粉量平均為2.37kg／m，最大為2.9kg／m，沒有出現煤粉量超標且鉆進過程中沒有出現異常動力現象。

（3）初次來壓期間1302工作面運輸巷距煤壁20～50m處，外幫肩窩處多處鋼筋鐵被拉斷，幫部變形嚴重，之后運輸巷距煤壁50～70m處，頂板明顯下沉，錨桿、錨索受力增大，錨桿、錨索底盤、W鋼帶嚴重變形，以后頂板持續下沉繼續加大，有引發沖擊地壓的可能，應加強卸壓處理和巷道支護。

綜上分析，觀測期間，1302工作面沖擊地壓危險性較低。

6 結論

通過礦壓規律觀測及沖擊地壓監測期間數據分析，得出以下結論：

（1）1302綜采工作面直接頂初次跨落步距為13.6m，老頂初次來壓步距為48.5m，周期來壓步距平均為24.5m，來壓顯現明顯。

（2）工作面支架初撐力頻率基本呈正態分布，支架整體初撐力較高，有效支護了工作面頂板，工作阻力發揮程度較高，對控制頂板具有可靠保障，支架整體工作狀態良好。

（3）所選用的液壓支架很好地滿足了工作面的支護要求，能夠適應1302工作面的頂底板條件，使支架工作阻力得到有效發揮，支架選型和工作阻力大小符合煤層條件。

（4）實際觀測發現支架密封墊損壞比較嚴重，造成部分支架卸壓，對工作面安全生產不利，建議提高密封墊質量。

（5）實際觀測表明，在開采1302首采工作面時，工作面內發生沖擊地壓的可能性較小。沖擊地壓與頂板來壓有密切的關系。因此，預測工作面的壓力顯現規律和程度，對于防治沖擊地壓具有重要的指導意義。

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Field observation and research of strata behavior law in first mining face in high ground－pressure mine

Li Xiang，Ma Wa，Li Hongyou，Su Guihu
（Guotun Coal Mine，Heze Coal Electricity Company of Shandong Luneng Group，Yuncheng，Shandong 274700，China）

The phenomenon of rock burst has appeared in 1302fully mechanized working face which is the first mining face in Guotun coal mine with high ground pressure.In order to ensure the safe mining in high ground－pressure mine，it＇s necessary to monitor and analyze the strata behavior law and rock burst phenomenon，so as to evaluate the support applicability under high ground－pressure condition and prevent the rock burst effectively.Field test and analysis show that the first weighting interval of the face is 48.5mand the periodic weighting interval is 24.5m.And the possibility of rock burst occurring is very little during the mining of 1302first working face.

rock burst，first mining face，strata behaviors，working resistance of support

TD324

A

李想（1985－），男，漢族，江蘇徐州人，助理工程師，畢業于中國礦業大學采礦工程專業，主要從事煤礦現場管理和生產技術工作。

（責任編輯 張毅玲）