工作面末采段礦壓顯現規律與來壓增阻速率判斷方法

李良紅　田靈濤　孫中光

（1.國電建投內蒙古能源有限公司察哈素煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017209；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

工作面末采段礦壓顯現規律與來壓增阻速率判斷方法

李良紅1田靈濤1孫中光2

（1.國電建投內蒙古能源有限公司察哈素煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017209；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

針對傳統礦壓判據中的不足，將長壁式開采工作面的頂板簡化為懸臂梁模型，利用頂板的撓曲線方程，得到頂板的撓度增加值隨懸臂長度L的變化趨勢和撓度與支架初增阻速度的關系，將此增阻速率作為頂板來壓判據對察哈素煤礦的末采與貫通進行了指導，達到了預期效果。

深埋，軟巖，末采，礦壓顯現，增阻速率

1　引言

隨著礦井深度的增加，巷道圍巖應力逐漸升高，礦壓顯現越來越突出［1-2］。 對于末采貫通技術要求也越來越高。為了保證貫通回撤時不發生支架壓事故，往往要根據末采礦壓規律進行等、讓壓措施。末采貫通讓壓技術就是通過頂板進行礦壓觀測，掌握頂板的周期來壓規律，在工作面與主回撤通道貫通前，在工作面推進至距離回撤通道一定距離時，若工作面無來壓，則暫時停止推進（停采時間一般為10 h 左右），等待工作面出現來壓跡象（一般以支架阻力開始上升，煤壁片幫加劇為標準），再繼續推進直至與主回撤通道貫通。通過調整工作面推進速度，調節周期來壓步距，使得工作面在即將貫通時出現最后一次周期來壓，讓老頂壓力得到充分釋放，保證回撤通道上方避開來壓峰值，同時新的懸頂面積不足以構成一次周期來壓，從而避免貫通回撤時頂板來壓而造成支架被壓死［3-4］。

察哈素煤礦3101工作面為該礦的首采面，為了在貫通時避開來壓，對工作面末采段200m進行了礦壓規律研究，據此采用等壓措施避開了最后一次來壓，保證了貫通與回撤的順利進行。

2　察哈素工作面概況

察哈素礦井位于內蒙古自治區鄂爾多斯市境內，3101 工作面煤層平均厚度6m。煤層傾角1～3°。煤層地質構造簡單，工作面走向長度2503.74m，傾向寬度300.58m。煤層頂底板巖性見表；在頂底板上存在泥巖，為后期的支護帶來非常大的困難。

表1　3101采煤工作面末采段頂底板巖性明細表

3　末采礦壓規律分析

為了分析沿工作面面長方向不同部位頂板的來壓規律、顯現程度以及支架適應性，進而掌握整個工作面的壓力分布情況，在工作面安裝重慶研究院生產的KJ693頂板動態監測系統進行觀測，從工作面推進到距離回撤通道200m開始觀測。

3.1頂板來壓的傳統方法分析

頂板來壓分析以支架每天最大（加權平均）工作阻力的平均值與其均方差之和作為判斷頂板來壓的主要指標。數據計算的公式為：

利用公式1和公式2對支架阻力曲線進行了分析，獲得了3101工作面的周期來壓情況（表2）。從表1可以看出，周期來壓布距為18.6m。

表2　觀測期間周期來壓步距統計表（250m～100m）

由表可見，工作面不同位置支架來壓顯現特征有所不同，工作面上部支架來壓持續時間較短，來壓次數少；工作面中部及下部來壓步距較小，且來壓持續時間較長，有時甚至持續一天，來壓次數較上部區域少。

根據上述周期來壓規律可以預計工作面的兩次來壓將發生在距離回撤通道35m和17m處，貫通期間將發生周期來壓，對貫通及回撤非常不利。因此在工作面推進到距離回撤通道還有20m時，采取等壓措施，將周期來壓提前，改變來壓步距。在停采1天后，礦壓顯現劇烈。來壓后繼續進行正常推進，距離回撤通道18m時開始掛網。

由于工人對掛網工序不熟悉，導致工作推進速度減慢，由原來的每天推進8m變為每天推進1.6m，速度推進緩慢，導致支架礦壓整體顯現不明顯，對分析周期何時來壓造成困難。圖1為工作面距離回撤通道50m內的支架阻力曲線。

圖1　支架阻力曲線圖

由圖1可見，對于3月2號以后，由于推進速度過慢，對于分析頂板是否來壓造成困難。為了彌補最大值判據的缺陷，采用了支架阻力增加速率的方法來進行判別。

3.2頂板來壓的增阻速率判斷方法

當頂板周期性斷裂后，頂板以支架和煤壁為支點，將煤壁前方煤層和直接頂視為彈性地基，則頂板的受力情況可以簡化為如圖2所示的懸臂梁模型［5-6］。

圖2　頂板受力簡化圖

隨著采煤機割煤，基本頂的懸臂也隨之增加，頂板會將撓度的增加值以變形能的形式傳遞給直接頂、支架、底板，頂板傳遞給支架和直接頂與底板的總能量為：

該能量將由直接頂W1、支架W2和底板W3三部分分別以變性能儲存。其中支架存儲的能量W2為：

式中：K2—支架剛度；

y2—支架變形量；

W泵—支架加壓到初撐力時泵給支架傳遞的彈性能；

支架在支護過程由于老頂來壓變形導致的阻力增加速度為：

由公式（5）可知，隨著工作面的推進，老頂的懸臂長度L 也隨之加長，支架上方的整體撓度也會越大。這將直接導致每次支架移架接頂后△t 時間內頂板傳遞給支架的能量增大，從而間接導致支架阻力增加速度將會隨著懸臂長度L 的增加而增加。利用支架接頂后的初增阻指標將更加精確的反應頂板懸臂的周期性變化情況，從而達到精確確定頂板周期來壓步距的目的。

根據公式（5），對3101工作面距回撤通道20m內的支架阻力進行了增阻速率分析，分析發現3月7日，雖然支架的末阻力均不大，但是出現了明顯的快速增加現象（速率＞100kN/10min），判斷頂板來壓，此時距離回撤通道還有8m，建議礦方盡快推進，當天全班割煤6刀，進尺4.7m，距回撤通道還有3.3m。3月8日繼續推進，此時支架的增阻速率降低，周期來壓結束，3月8日晚間正式貫通，沒有出現明顯的壓力現象。直至4月1日整個工作面回撤完畢，沒有再出現礦壓顯現情況，安全指導了礦方回撤工作。

4　結論

（1）利用傳統的周期來壓判據對察哈素煤礦3101工作面末采段的礦壓規律進行了分析。隨后由于停采與推進速度的變化，導致傳統方法不能有效的進行頂板來壓判斷。

（2）利用支架阻力增加速度的判據方法對支架阻力不明顯的情況進行了判斷，有效的掌握了頂板的來壓情況。利用該方法很好的指導了生產，說明了該理論的實用性。

［1］ 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2003

［2］ 賀安民.綜采工作面回撤“輔巷多通道”工藝設計的應用［J］.煤炭工程，2007（10）：5-6.

［3］ 王金安，焦申華，謝廣祥.綜放工作面開采速度對圍巖應力環境影響的研究［J］.巖石力學與工程學報，2006，25（5）：1-7.

［4］ 鄧維元.綜采工作面堅硬項板合理懸頂長度研究［J］.山西焦煤科技，2009，（4）：4-6.

［5］ 潘 岳，王志強，李愛武.初次斷裂期間超前工作面堅硬頂板撓度、彎矩和能量變化的分析解［J］.巖石力學與工程學報，2012，31（1）：178-179

［6］ 高峰，錢鳴高，繆協興.采場支架工作阻力與頂板下沉量類雙曲線關系的探討.巖石力學工程學報，1999，18（6）：658-662

TD323

A

1003-5168（2015）11-044-02

李良紅（ 1973- ），男，工程師，主要從事煤礦技術管理工作。