21010綜采工作面采場礦壓顯現規律

趙東亮

（山西煤炭運銷集團中岳煤業有限公司，山西 晉城048003）

工作面礦壓顯現規律是指導采煤工作面安全回采的重要依據。在采煤過程中，可以依據來壓步距、來壓強度、超前支承應力分布提前采取措施優化支護體系，確保工作面回采安全〔1－2〕。“三軟”煤層綜采工作面與普通工作面不同，主要特點是頂底板和煤層強度低，頂板承載能力弱，故“三軟”煤層開采的關鍵是確保支護體系的合理性和有效性〔3－4〕。開采實踐表明，“三軟”煤層開采更易出現煤壁片幫、支架端頭冒漏、回采巷道嚴重變形破壞等現象，這些現象一方面突出了“三軟”煤層開采安全問題多，另一方面也凸顯了亟需采取措施來進行“三軟”煤層煤壁和頂板管理〔5〕。張村煤礦所采煤層為山西組二1煤層。該煤層頂底板巖性復雜，多為泥巖和炭質泥巖，煤層軟弱，且遇擾動易片落，屬于典型的“三軟”煤層。該礦井21010工作面為二水平一采區首采工作面，為了更好地指導該工作面安全回采，決定對該工作面進行礦壓顯現實測。

1 工作面概況

21010工作面位于礦井二水平一采區北翼，是該采區首采工作面。工作面頂板標高－434m～－439m，地面標高32.5～34.7m。工作面南部為正在掘進的21020工作面皮帶運輸巷，東部為實體煤，北部為DF21斷層影響區，西部為采區下山。工作面開采范圍內二1煤層厚度3.4～5.2 m。煤層傾角12°～24°，平均為16.5°。煤層節理裂隙發育程度較高，含1～2層薄的夾矸，煤體易受礦壓和采動擾動作用出現片落。工作面偽頂為厚0.5～0.75m的灰黑色泥巖，泥巖呈現碎塊狀，易在支架端頭冒漏；直接頂為厚2.4～3.5m的灰黑色炭質泥巖～泥巖～砂質泥巖，直接頂巖層呈層狀，裂隙發育高，隨采隨冒；基本頂為厚4.2～6.5m的砂質泥巖～中粒砂巖，砂質泥巖強度低，易冒落，中粒砂巖致密性較高，是工作面穩定巖體；直接底為厚1.2～2.4 m的泥巖～砂質泥巖；基本底為2.2～3.5m的砂質泥巖～中粒砂巖。根據工作面煤巖體概況可知，工作面屬于“三軟”煤層工作面。21010工作面設計走向長度為960 m，傾斜長度為129m，通風方式為“一進一回”式，采用綜合機械化開采，頂板管理方式為全部垮落式。工作面采用86臺ZY4000－17／37型支架進行采場支護，兩巷采用U36型鋼進行支護，棚間距為0.6m。

2 礦壓觀測方案設計

采用KJ127型礦壓監測系統對工作面液壓支架工作阻力進行實時記錄。為充分了解21010工作面礦壓顯現規律，將工作面按采長均勻劃分為上、中、下三個觀測區間，在各區間均勻布置3條測線，3條測線對應的支架分別為7＃、20＃、30＃、40＃、50＃、60＃、70＃、80＃和86＃支 架。KJ127型礦壓監測儀可以通過數據線直接將記錄的支架載荷值傳輸到計算機系統中。本次觀測共持續2個月。同時，為了提高礦壓分析的準確性，每班安排專人對煤壁片幫、支架安全閥卸載、頂板垮落、端頭冒頂等現象進行記錄，并每班將觀測結果上報至礦壓分析組進行分析。21010工作面礦壓監測系統測線布置見圖1。

圖1 21010工作面礦壓監測系統布置示意

3 礦壓觀測數據分析

3.1 頂板來壓特征分析

根據礦壓監測所得數據和現場觀測可知，工作面推出切眼后，液壓支架平均工作阻力逐漸增高，直接頂隨采隨冒；當推至距離開切眼12～16m后，液壓支架工作阻力基本穩定；隨著工作面的進一步推進，距離開切眼20～24m時，液壓支架平均工作阻力陡然增大，支架后方采空區上方頂板有明顯的垮落聲響，說明此時基本頂開始垮落；基本頂初次來壓，初次來壓步距為20～24m。基本頂來壓期間，支架平均工作阻力為3242.5kN，為額定工作阻力的81.1%。隨著工作面持續推進，支架平均工作阻力逐漸降低并逐漸趨穩。當距離開切眼30～32m時，支架平均工作阻力再次達到峰值。伴隨著采空區上方頂板垮落，此時基本頂第一次周期來壓，來壓步距為8～10m，來壓期間支架平均工作阻力為3068kN，為額定工作阻力的76.7%。隨著工作面推進，在距離開切眼38～41m、48～51m、60～61m、69～73m等位置出現支架平均工作阻力峰值，說明在此期間出現多次周期性來壓。來壓步距分別為8～9m，10m、10～12m和9～12m。結合第一次周期來壓數據可知，工作面周期來壓步距為8～12m。工作面初次來壓和周期來壓期間頂板壓力顯現參數見表1。

表1 21010工作面頂板來壓參數分析

由表1可知，21010工作面周期來壓期間支架初撐力為2164.1kN，僅為額定初撐力的70%，初撐力較低；最大工作阻力為4023.2kN，超出額定工作阻力1%；平均工作阻力為3214.2kN，為額定工作阻力的80.4%，說明采場壓力不大，支架支護狀態較好，能夠滿足現場支護要求；平均動載系數為1.76，來壓較平緩，符合“三軟”煤層頂板垮落特征；來壓持續時間較短，說明頂板強度較低，易于折斷、垮落，不存在大面積懸頂來壓問題。

21010工作面液壓支架工作阻力分布見圖2。由圖2可知：工作面液壓支架工作阻力基本呈正態分布。液壓支架工作阻力主要分布在2000～3500kN范圍內，約占總統計數的58.5%；分布在3500～4000kN范圍內統計數約占總統計數的11.2%；小于2000kN的統計數約占總統計數的30.2%；超出4000kN的統計數約占1%。根據各工作阻力區間所占統計數的百分比可知，工作面液壓支架初撐力普遍較低。分析原因認為一是供液系統的“跑、冒、滴、漏”，二是支架工未按照操作標準進行支架。由采場支護現狀和支架工作阻力分布可知，采場能夠得到有效支護，能夠保證工作面安全回采。

圖2 21010工作面液壓支架工作阻力分布

3.2 工作面宏觀觀測

現場發現，工作面煤壁片幫和端頭冒漏是礦壓顯現規律的直接表現形式。在非來壓期間，工作面煤壁片幫率約占工作面傾斜長度的24%，片幫規格（深度×高度）平均為0.32m×1.2m，基本分布在工作面中部和上部區域，頂板冒漏現象較少，僅出現在超高割煤和拉架滯后時。來壓期間，煤壁片幫程度明顯加劇，片幫率約占工作面傾斜長度的46%，片幫規格（深度×高度）平均為0.87m×1.8m，端頭頂板冒漏較普遍，但冒漏范圍和程度較小。在來壓期間，支架工作狀態普遍較好，只有個別支架平衡千斤頂和立柱處安全閥出現卸壓現象。支架立柱活柱下縮量觀測結果表明，來壓期間，支架立柱活柱下縮量普遍在11～14 mm范圍內，約占總統計數的70%，超出14mm的約占統計數的9.6%，說明支架立柱活柱下縮量并不明顯，支架支護狀態較好。

4 結語

21010工作面為二水平一采區首采工作面，屬于“三軟”煤層綜采工作面。通過現場實測研究，掌握了該工作面礦壓顯現特征。工作面初次來壓步距和周期來壓步距分別為20～24m和8～12m；來壓強度分別為3242.5kN和3214.2kN，約占額定工作阻力的81.1%和80.4%。工作面支架工作阻力呈近似正態分布，主要分布在2000～3500kN范圍內，約占總統計數的58.5%，超出額定工作阻力統計數較少，僅占1%。工作面煤壁片幫和端頭頂板冒漏與頂板來壓關系密切，來壓期間煤壁片幫率高于非來壓期間22%，端頭頂板冒漏趨于頻繁。鑒于21010工作面液壓支架初撐力普遍較低，為提高初撐力，需提高供液系統的穩定和可靠性以及改善支架工操作等方面。

〔1〕常 衛.興縣礦區綜采工作面的礦壓觀測〔J〕.山西焦煤科技，2006，（11）：16－20.

〔2〕王愛文，陳 鎣，張站濤.風水溝煤礦綜采工作面礦壓觀測〔J〕.煤礦支護，2007，（4）：32－35.

〔3〕陳國忠.“三軟”綜采工作面片幫及冒頂的防治〔J〕.煤炭技術，2004，23（3）：42－44.

〔4〕孫平勇，李洪彪.上保護層開采卸壓瓦斯治理技術研究〔J〕.江西煤炭科技，2014，（3）：77－80.

〔5〕趙 君.“三軟”煤層綜放工作面礦壓顯現特征分析〔J〕.煤礦開采，2010，15（5）：86－88.