“兩硬”圍巖工作面礦壓顯現規(guī)律分析

陳德良

（同煤集團 礦井建設管理處，山西 大同037103）

1 工作面概況

同煤集團同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司13306工作面開采石炭系太原組5＃煤層，煤層傾角2°～4°，煤層平均厚度為8.5m，中間有1～8層夾石，最大為1.95m，最小為0.09m，巖性多為砂質泥巖、炭質泥巖，次為粘土質泥巖、泥巖。兩條順槽巷有煌斑巖不同程度侵入，工作面煤層整體呈一單斜構造，切巷處頭高尾低、頭尾高差5.6m。老頂為含礫粗砂巖，厚度9.17m（3.51～12.53）；直接頂為粗砂巖，厚度5.87m（0.63～9.20）；直接底為細砂巖，厚度3.97m（3.04～4.77）；老底為砂質泥巖互層，厚度2.71m（2.10～3.40）。工作面采用單一走向長壁后退式放頂煤綜合機械化采煤法，用SL－500型采煤機落煤、裝煤，PF6／1142型前刮板運輸機、PF6／1342型后刮板運輸機運煤，ZF13000／25／38型支撐掩護式放頂煤液壓支架支護頂板，平均采放高為8.5m，循環(huán)進度為0.8m，采用自然跨落法管理采空區(qū)頂板。

2 采場支承壓力分布規(guī)律分析

1.1 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工作面回采巷道支承壓力分布情況，在13306上下巷分別超前30m及50m內的單體液壓支柱上每隔2m設置一組礦用單體液壓支柱數字壓力循環(huán)監(jiān)測儀，用于連續(xù)監(jiān)測測定單體液壓支柱工作阻力變化情況，每隔2m一組；煤體應力監(jiān)測使用的ZYJ－25型鉆孔應力計型布置133061下巷超前工作面前方50m、60m處。布置分為10個測點，監(jiān)測儀器布置見圖1。

圖1 監(jiān)測儀器設備布置

1.2 工作面超前支承壓力分布研究

（1）巷道超前單體液壓支柱荷載變化分析

通過手持采集器采集超前單體柱上安裝的礦用單體數字壓力循環(huán)監(jiān)測儀數據。對監(jiān)測到的數據進行統(tǒng)計分析，分析結果見圖2。

圖2 工作面超前單體液壓支柱載荷變化

由圖2分析可知：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。單體液壓支柱載荷在工作面前方5m處達到最大值，133061、133062巷分別為23.3MPa和24.8MPa。5～25m范圍內，單體液壓支柱載荷逐漸下降為15MPa，下降過程較快，25～45m內，單體液壓支柱載荷下降緩慢，由15MPa下降到6MPa，工作面前方45m外基本不受工作面采動影響。

（2）超前應力監(jiān)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3。

圖3 超前鉆孔應力變化曲線

由圖3可知：在工作面推進過程中，工作面超前支承壓力的影響在0～38m范圍內，其中在工作面前6m處，支承壓力最大，其值為26.5MPa；原巖應力以17.85MPa計算，應力集中系數約為1.48。

（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，得出煤柱側側向超前支承壓力曲線（見圖4）。

圖4 側向支承壓力分布曲線

分析圖4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(qū)域，即：0～7m為煤體邊緣卸載區(qū)；7～12m為支承壓力上升區(qū)；12～18m為支承壓力峰值區(qū)；18～28m為支承壓力下降區(qū)，28m以外為原巖應力區(qū)。工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ挠绊懛秶鸀?8m，側向支承壓力值在工作面前方14m處最大，其峰值為24.8 MPa。

3 工作面礦壓監(jiān)測數據分析

13306薄煤層工作面采用山東尤洛卡在線礦壓監(jiān)測設備進行礦壓數據的采集（設備布置示意見圖5），工作面共布置上部、中部、下部三個測區(qū)。本工作面共有支架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4600mm，最小控頂距為4000mm，端面距為400mm。

圖5 13306工作面礦壓監(jiān)測設備布置

3.1 工作面初次礦壓顯現規(guī)律

根據13306工作面現場觀測結果，該面直接頂初次垮落時，工作面總進尺為機頭7.2m，機尾10.8m，平均9m，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(qū)，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(xù)了4天，期間推進5m，直接頂垮落過程中，中下部（機尾為下）支架增阻較明顯，垮落后支架阻力回落，頂板破碎，其它支架有增阻，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，工作面開始正常回采，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，就會進入經歷“失穩(wěn)－平衡”周期性變化過程。現依據礦壓實際監(jiān)測數據分析13306工作面的周期來壓規(guī)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(tǒng)計

綜合分析表2可以得出：

1）支架末阻力最大值平均為3192kN，占額定工作阻力4000kN的80%，說明支架工作狀態(tài)良好，選型合理。

2）13306工作面的上部、中部、下部的老頂平均來壓步距分別為17.6m、18.4m、17.5m，整個工作面的老頂平均周期來壓步距為17.8m，工作面上下部老頂來壓步距比中部偏小，兩者基本一致。

3）13306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，為方便工人作業(yè)，采高調整為1.5～1.8m，割取了部分直接頂，直接頂的完整性受到一定的破壞，直接頂隨采隨冒，沒有出現大面積懸頂情況，支架受力不集中。

4 結語

1）13306工作面工作面超前支承壓力的影響在0～38 m范圍內，其中在工作面前6m處，支承壓力最大，其值為26.5MPa，側向支承壓力影響范圍28m，護巷煤柱留設30m較為合理。

2）13306工作面初次來壓步距為26.8m，老頂周期來壓步距平均17.8m，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。

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