“兩硬”圍巖薄煤層工作面礦壓顯現規律實測研究

王憲勇

(山西晉神能源有限公司，山西　忻州　036500)

·試驗研究·

“兩硬”圍巖薄煤層工作面礦壓顯現規律實測研究

王憲勇

(山西晉神能源有限公司，山西忻州036500)

摘要針對某礦13306薄煤層綜采工作面的地質條件，采用超前單體支柱監測、煤體應力監測等技術，分析了該工作面采場支承壓力分布規律特征，并結合該工作面礦壓現場監測數據，對13306薄煤層工作面礦壓顯現規律進行了研究。研究結果表明， 13306薄煤層工作面基本頂初次來壓步距為26.8 m，周期來壓步距平均為17.8 m，動載系數普遍較小；超前支承壓力峰值位置位于煤壁前方1～8 m處，來壓強度較低，為類似條件工作面的安全高效回采提供了參考和指導。

關鍵詞薄煤層；支承壓力；礦壓顯現；超前支柱監測；煤體應力監測；現場實測

1工作面概況

某礦13306薄煤層工作面井上位置位于寺河村北600 m，井下位置東為九四盤區(東)大巷、西為已回采13303工作面、南為已回采13305工作面、北為13304工作面。上部3#煤為2307工作面及小煤窯破壞區。工作面地質結構簡單，貫穿53#背斜軸部，整體為褶曲構造，構造附近伴生有一些小的斷裂構造，煤巖層裂隙較發育；水文地質資料顯示，該工作面不存在帶壓情況，預計最大涌水量5 m3/h，正常涌水量1.5 m3/h；工作面煤層平均厚度為1.15 m，煤層傾角2°~10°，平均為3°.工作面前半段長136 m，后半段長150 m，推進長度780.4 m.煤層的頂板和底板均由致密堅硬的砂巖和灰巖構成，其地質特征柱狀圖見圖1.

圖1　煤層頂底板綜合柱狀圖

2采場支承壓力分布規律分析

2.1　采場支承壓力觀測方案

采場超前支承壓力和側向支承壓力是工作面巷道布置、采場及巷道圍巖控制的依據。為掌握13306薄煤層工作面回采巷道支承壓力分布情況，在13221、13221副巷分別超前30 m及50 m內，布置單體液壓支柱，并配套安裝礦用單體數字壓力循環監測儀，測定單體支柱工作阻力變化情況，每隔2 m一組；煤體應力監測使用的ZYJ-25型鉆孔應力計布置在133062巷超前工作面前方50 m、60 m處。布置分為10個測點，共安裝10臺鉆孔應力計。設備布置簡圖見圖2.

2.2　超前支承壓力分布分析

2.2.1工作面超前單體支柱荷載分析

工作面超前單體支柱自動記錄荷載變化，通過手持采集器采集數據。對監測到的數據進行整理分析，分析結果見圖3.

圖2　采場支承壓力監測設備布置示意圖

圖3　單體柱載荷變化曲線圖

由圖3可以看出：1) 單體支柱壓力表讀數隨距工作面距離不斷減小而增大；工作面前方25~45 m，其壓力值變化平緩，荷載為6~15 MPa；工作面前方25 m內，單體支柱荷載從15 MPa緩慢上升，單體柱載荷在工作面前方5 m處達到最大值，133061、133062巷分別為23.3 MPa和24.8 MPa.2) 受老頂周期來壓影響，老頂懸梁以支架為支撐點，后方斷裂后，集中應力向前傳遞。由觀測數據可知，超前支承壓力的影響范圍主要集中在工作面前方45 m范圍。

2.2.2超前應力監測分析

依據超前鉆孔應力計讀取的數據，整理分析結果見圖4.

圖4　超前鉆孔應力變化曲線圖

由圖4可以看出，超前支承壓力在工作面煤壁逐漸推進中的變化趨勢。工作面前方煤體由遠及近可劃分為3個區域：原巖應力區、彈性區、塑性區。工作面支承壓力超前影響范圍為46 m，超前支承壓力值峰值在工作面前方7 m處，其值為26.5 MPa；原巖應力以17.85 MPa計算，應力集中系數約為1.48.

2.3　側向支承壓力分布分析

利用線性插值法，對側向鉆孔支承壓力進行分析，得出煤柱側向超前支承壓力曲線見圖5.

圖5　側向支承壓力分布曲線圖

分析圖5可知，受巷道開挖及采場支承壓力影響，煤柱側向支承壓力可分為5個區域，即：0～7 m為煤體邊緣卸載區；7～12 m為支承壓力上升區；12～18 m為支承壓力峰值區；18～28 m為支承壓力下降區；28 m以外為原巖應力區。工作面側向支承壓力的影響范圍為28 m，側向支承壓力值在工作面前方14 m處最大，工作面側向支承壓力峰值為24.8 MPa.

3工作面礦壓監測數據分析

13306薄煤層工作面采用山東尤洛卡在線礦壓監測設備進行礦壓數據的采集(設備布置示意圖見圖6)，工作面共布置上部、中部、下部3個測區。該工作面共有支架100架，其中ZY4400/10/23型液壓支架6架， ZY4000/09/19D型液壓支架94架。最大控頂距為4 600 mm，最小控頂距為4 000 mm，端面距為400 mm.

3.1　工作面初次來壓規律

據現場觀測記錄，工作面直接頂初次垮落從中部開始，工作面50#~70#支架見矸頂，直接頂大面積跨落，從工作面中部開始向兩側逐步垮落。工作面總進尺為機頭7.2 m，機尾10.8 m，平均9 m，支架工作阻力普遍增大，部分支架出現壓力增高又回落現象，同時，30#~90#支架出現頂板變軟的現象，7#~60#、61#~90#、91#~99#支架頂板破碎，通過機尾架后觀測采空區，證實為直接頂初次垮落，垮落程度不均，但以中下部垮落較多，范圍較大，兩端較少。直接頂垮落持續了4天，期間推進5 m，直接頂垮落過程中，中下部(機尾為下)支架增阻較明顯，跨落后支架阻力回落，頂板破碎，其他支架有增阻，并出現頂板破碎現象。

3.2　工作面周期來壓特征

工作面初次來壓后，開始正常回采，依據砌體梁理論，老頂在覆巖載荷的作用下巖梁彎曲應力逐漸增大，回轉下沉變形趨于顯著，直至受載巖梁的拉應力大于老頂的抗拉強度時，就會經歷“失穩-平衡”周期性變化過程。現依據礦壓實際監測數據，分析寺河煤礦二號井IX4306薄煤層工作面的周期來壓規律，其具體特征見表1.

表1　基本頂歷次來壓期間動載系數統計表

綜合分析表1可以得出：

1) 支架末阻力最大值平均為3 192 kN，占額定工作阻力4 000 kN的80%，說明支架工作狀態良好，選型合理。

2) 13306薄煤層工作面老頂周期來壓步距平均17.8 m，其中工作面上部周期來壓步距平均17.6 m，中部18.4 m，下部17.5 m.工作面兩端頭來壓步距基本一致，中部稍大，整個工作面老頂周期來壓基本同步。

3) 13306薄煤層工作面老頂周期來壓動載系數平均1.26，動載系數偏低。因為工作面的頂底板較為堅硬，為方便作業，將采高調整為1.5～1.8 m，割取了部分直接頂，直接頂的完整性受到一定的破壞，隨采隨冒，沒有出現大面積懸頂情況，支架受力不集中。其中工作面上部周期來壓動載系數平均1.23，中部1.33，下部1.22.從整個工作面來看，老頂周期來壓明顯，但不強烈。

4結論

1) 13306薄煤層工作面頂底板為“兩硬”條件，來壓期間支承壓力峰值區較常規工作面前移。 來壓期間工作面采動影響范圍為工作面煤壁前方0～35 m，超前支承壓力峰值區為工作面煤壁前方1～9 m處，支承壓力峰值區垂直應力值為27～35 MPa.側向支承壓力影響范圍28 m，護巷煤柱留設30 m較為合理。

2) 13306薄煤層工作面初次來壓布距為26.8 m，老頂周期來壓步距平均17.8 m，來壓期間動載系數平均1.26，動載系數偏低，總體表現為老頂周期來壓明顯但不強烈。

參考文獻

[1]熊祖強,劉成威. “兩硬”圍巖孤島工作面礦壓顯現規律研究[J].煤炭工程,2014,46(10):169-172.

[2]趙磊磊.鳳凰山礦堅硬頂板條件下綜采工作面礦壓顯現規律研究[D].焦作:河南理工大學,2012.

[3]劉奎,劉長友.超長綜放孤島面礦壓規律及支架適應性研究[J].采礦與安全學報,2007,24(1):84-87.

[4]張宏偉,孟祥宇.兩硬薄煤層工作面圍巖運動規律與礦壓顯現規律研究[J].礦冶工程,2012,32(8):483-485.

[5]付玉平,宋選民.淺埋薄煤層綜采工作面礦壓規律及圍巖控制研究[J].中國煤炭,2010,36(11):40-42.

[6]唐軍華,白海波.杜鋒.采場支承壓力分區變異特征研究[J].采礦與安全學報,2011,28(2):294-295.

[7]高杰,屠世浩.兩軟薄煤層綜采面礦壓顯現規律研究[J].中國煤炭,2010,36(4):52-55.

[8]李利.新陽煤礦近水平薄燎層綜采工作面礦壓顯項規律研究[J].中國煤炭,2011,37(10):53-56.

[9]孫曉東,賈光勝.急傾斜薄煤層開采礦壓顯現規律研究[J].煤礦開采,2011,16(2):94-96.

Field Research on Mine Pressure Behavior of Roof and Floor Hard Thin Coal Seam Working Face

WANG Xianyong

AbstractAiming at the geological condition of a coal mine 13306 thin seam fully mechanized working face, adopts the technology of advanced single prop monitoring and coal stress monitoring, analyzes the distribution regularity characteristics of the working face stope abutment pressure. Combines with the field monitoring data of the working face rock pressure, studies on the mine pressure behavior of 13306 working face thin seam. The results show that the first weighting inter-val of main roof is 26.8 m, and the periodic weighting interval is 17.8 m, the dynamic load coefficient is less. Advanced abutment pressure peak value is located in front of coal wall 1 m to 8 m, the ground pressure strength is low. It can provide reference and guidance to similar conditions working face for safe and efficient mining.

Key wordsThin coal seam; Support pressure; Strata behaviors; Advanced pillar monitoring; Coal stress monitoring; Field measurement

中圖分類號：TD326

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)08-0024-04

作者簡介：王憲勇(1986—)，男，山西五臺人，2013年畢業于大同大學，助理工程師，主要從事煤礦安全生產技術工作(E-mail)zsh0201@163.com

收稿日期：2015-06-05