青龍寺煤礦高效工作面礦壓規(guī)律實(shí)測(cè)研究

高治洲

(榆林神華能源有限責(zé)任公司青龍寺煤礦分公司，陜西 府谷 719400)

0 引言

陜北榆神府礦區(qū)的開(kāi)采實(shí)踐證實(shí)，地表厚松散層淺埋煤層高效工作面開(kāi)采支架需要很大阻力才能抵抗上覆巖層施加的載荷，并有效防止工作面發(fā)生切頂?shù)葹?zāi)害[1-3]。綜采工作面采用液壓支架對(duì)于預(yù)防頂板事故與傳統(tǒng)的支護(hù)相比較非?？煽?，但這種可靠性是需要保證綜采工作面采用液壓支架良好運(yùn)行才能實(shí)現(xiàn)，否則就保證不了工作面高產(chǎn)高效，也保證不了安全生產(chǎn)[4-6]。青龍寺煤礦屬于厚土層覆蓋的淺埋煤層，但青龍寺煤礦的煤層賦存地質(zhì)條件、開(kāi)采技術(shù)條件、工作面管理等方面與附近其他煤礦存在著較大差異，如果生搬硬套地借鑒或者使用他們的礦壓規(guī)律，將會(huì)在工作面頂板管理方面存在一定的安全隱患，保證不了礦井高效安全生產(chǎn)，可能導(dǎo)致一些安全事故，進(jìn)而造成一定的安全和經(jīng)濟(jì)損失[7-9]。因此，需要對(duì)青龍寺煤礦高效工作面上的礦壓規(guī)律與其特殊的地質(zhì)條件進(jìn)行結(jié)合研究，才能制定出合理可行的工作面頂板管理方法和措施。

1 礦壓實(shí)測(cè)方案

1.1 工作面概況

青龍寺煤礦520101工作面沿煤層傾向布置，工作面回風(fēng)巷長(zhǎng)3 703.3 m，寬5.1 m，高2.68 m；520102工作面回風(fēng)巷長(zhǎng)3 698.6 m，寬5.1 m，高2.88 m；工作面煤層以半暗煤為主，硬度中等，平坦?fàn)罴半A梯狀斷口，層狀結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育，煤層中部夾有一層厚度平均在0.17 m的夾矸，主要為砂質(zhì)泥巖，局部為泥巖；煤層厚度平均為1.25～2.3 m。5-2煤層為一個(gè)寬緩的傾向SW的單斜構(gòu)造，傾角1°左右。工作面采用傾向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤，全部垮落法管理頂板的采煤方法。工作面老頂為中粒砂巖，厚度27.92～50.86 m，巖性為灰白色，層狀構(gòu)造，成分以石英、長(zhǎng)石為主，泥質(zhì)膠結(jié)為主，局部鈣質(zhì)膠結(jié)，中粒砂巖與粉砂巖互層，偶夾煤線(xiàn)。直接頂為粉砂巖厚度 1.31～5.67 m，巖性為灰-灰白色，薄層狀，水平層理，夾有細(xì)砂巖、泥巖或炭屑薄層，層面見(jiàn)植物化石碎片。直接底為粉砂巖，厚度4.80～13.55 m，巖性為灰白色，薄層狀，發(fā)育水平層理、波狀層理及小型交錯(cuò)層理，頂部夾有砂質(zhì)泥巖薄層，含白云母碎片及炭屑。520101工作面采用綜采長(zhǎng)壁采煤法，全部冒落法管理頂板，工作面長(zhǎng)度300 m，采高2.38 m，工作面頂板支護(hù)配套使用176臺(tái)ZY8800/15/28D掩護(hù)式液壓支架，支護(hù)高度1.5～2.8 m，工作阻力為8 800 kN，支架寬度為1.75 m。

1.2 觀(guān)測(cè)站布置

沿工作面線(xiàn)長(zhǎng)方向布置3個(gè)測(cè)站，工作面線(xiàn)長(zhǎng)方向?yàn)?00 m，第1個(gè)測(cè)站和第3個(gè)測(cè)站設(shè)計(jì)的位置靠工作面上下端頭，距離工作面上下運(yùn)輸順巷道以及回風(fēng)巷道的大概距離在30 m。第2個(gè)測(cè)站設(shè)計(jì)布置在工作面的中部附近，距離第1和第3個(gè)測(cè)站的距離在120 m附近。監(jiān)測(cè)工作面支護(hù)質(zhì)量，總體監(jiān)測(cè)布置設(shè)計(jì)如圖1所示。工作面上下兩巷道內(nèi)各測(cè)站隨工作推進(jìn)循環(huán)調(diào)整，保證兩巷道內(nèi)測(cè)站一直有2個(gè)。在工作面上下巷道內(nèi)各布置2個(gè)超前壓力分布規(guī)律的測(cè)站A1、A2和B1、B2，超前壓力分布規(guī)律的測(cè)站間距在10 m左右。同時(shí)在兩間隔的超前壓力分布規(guī)律的測(cè)站附近設(shè)計(jì)2個(gè)巷道表面收斂變形觀(guān)測(cè)站A11、A21和B11、B21，表面收斂變形觀(guān)測(cè)站間距在20 m左右。順槽內(nèi)各測(cè)站隨工作推進(jìn)不斷循環(huán)布設(shè)，保證兩巷道內(nèi)測(cè)站的一直有兩個(gè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)工作面支護(hù)阻力與工作面推進(jìn)過(guò)程的關(guān)系，總結(jié)支架工作阻力在采動(dòng)過(guò)程中的變化規(guī)律，為該礦相鄰工作面開(kāi)采采場(chǎng)頂板管理提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

圖1 監(jiān)測(cè)布置圖

2 工作面觀(guān)測(cè)結(jié)果分析

2.1 支架阻力分析指標(biāo)

通過(guò)30 d左右的礦壓觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，工作面在觀(guān)測(cè)期間共向前推進(jìn)200 m，共有7次周期來(lái)壓。觀(guān)測(cè)期間，數(shù)據(jù)采集采用在線(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基本上實(shí)現(xiàn)了支架上阻力的連續(xù)記錄。工作面來(lái)壓期間壓力變化較明顯，來(lái)壓顯現(xiàn)顯著。在對(duì)數(shù)據(jù)處理時(shí)以支架阻力加權(quán)阻力與其均方差之和為判斷來(lái)壓的主要指標(biāo)，其數(shù)據(jù)計(jì)算的公式為[7]：

(1)

式中：Pt—加權(quán)阻力：Pi—轉(zhuǎn)折點(diǎn)阻力值。

(2)

來(lái)壓依據(jù)：PL=Pj+σpt

動(dòng)載系數(shù)：K=Pz/Pf

式中：Pz—來(lái)壓期間平均工作阻力；Pf—非來(lái)壓期間平均工作阻力。

2.2 區(qū)域壓力分布分析

工作面支護(hù)阻力與推進(jìn)距離關(guān)系如圖2所示，工作面來(lái)壓特征見(jiàn)表1。

可以看出，工作面上部支架運(yùn)行比較平穩(wěn)，支架平均工作阻力在非來(lái)壓與來(lái)壓期間變化不是很大，工作面中部支架的平均工作阻力具有明顯的周期變化特征，工作面下部支架的平均工作阻力也有一定的周期變化特征但不明顯。綜合工作面上、中、下部支架平均工作阻力可知，在整個(gè)工作面采集的數(shù)據(jù)表明支架的工作阻力大多數(shù)都是比較低的，這說(shuō)明在開(kāi)采過(guò)程中工作面的頂板運(yùn)動(dòng)比較緩慢，該首采工作面來(lái)壓強(qiáng)度也相對(duì)比較小。在工作面開(kāi)采過(guò)程中以老頂?shù)某醮纹茢喔浇鼮榻缇€(xiàn)，到開(kāi)切眼一段距離的支架工作阻力都要比老頂?shù)某醮纹茢嗪蟮闹Ъ芄ぷ髯枇σ?。這也反映出老頂初次破斷前的工作面礦壓體現(xiàn)不明顯，而工作面進(jìn)入正常開(kāi)采后，隨著開(kāi)采范圍的擴(kuò)大頂板運(yùn)動(dòng)進(jìn)入活躍階段，這也使得工作面支架上工作阻力有一定的體現(xiàn)。

圖2 工作面支護(hù)阻力與推進(jìn)距離關(guān)系

工作面來(lái)壓次數(shù)來(lái)壓步距/m推進(jìn)距離/m平均載荷/MPa最大平均載荷/MPa基本頂初次來(lái)壓606028.735.3周期來(lái)壓(1)187830.638.1周期來(lái)壓(2)169433.137.2周期來(lái)壓(3)2411831.033.4周期來(lái)壓(4)2013826.933.5周期來(lái)壓(5)2216027.135.2周期來(lái)壓(6)1717727.635.1周期來(lái)壓(7)1919628.036.3

觀(guān)測(cè)表明,工作面最大周期來(lái)壓步距為24 m，最小值為16 m，平均步距為19.4 m，來(lái)壓期間支架工作阻力平均值為35.5 MPa，非來(lái)壓期間工作面支架平均阻力29.1 MPa。支架實(shí)際工作阻力不高，并且周期來(lái)壓步距隨工作面推進(jìn)速度提高而增加。

2.3 支架運(yùn)行特性

隨工作面的推進(jìn)，在每個(gè)循環(huán)周期內(nèi)支架阻力的大小均會(huì)受到移架人員操作水平、采場(chǎng)支護(hù)效果和煤層地質(zhì)起伏變化的影響而有所變化，而且沿著傾斜方向工作面在不同位置處支架阻力也有差異。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，真實(shí)地反映了520101工作面頂板的壓力的大小、支架與圍巖的相互作用關(guān)系以及支架的現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)性能。由于該工作面推進(jìn)速度較快，工人對(duì)支架的操作水平較高，所以只分析支架的工作阻力(初撐力和泵站提供壓力31.5 MPa有關(guān))。實(shí)測(cè)值分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 支架動(dòng)載系數(shù)

從表2可以看出，工作面老頂來(lái)壓時(shí)的動(dòng)載系數(shù)在1.08～1.30之間，平均1.22，來(lái)壓強(qiáng)度相對(duì)較低，但能體現(xiàn)出其周期來(lái)壓的特征。整個(gè)工作面開(kāi)采過(guò)程中頂板來(lái)壓強(qiáng)度都不高，說(shuō)明該工作面的頂板管理難度也不是很高。

從每天工作阻力曲線(xiàn)分析可以看出某一具體支架在一定時(shí)間內(nèi)的支護(hù)情況。總體來(lái)看，工作面在支架升架后達(dá)到初撐力，是一個(gè)隨著割煤工藝的進(jìn)行阻力而不斷增加的過(guò)程。根據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，有的支架阻力在升架的時(shí)候能按照要求達(dá)到額定的初撐力，這壓力值一般還比較大，但隨著時(shí)間的推移支架的阻力沒(méi)有增加反而減小，說(shuō)明支架有漏液的可能性存在。還有個(gè)別支架的工作阻力值變化頻繁，而還有個(gè)別支架的工作阻力一直保持不變。這都反映出支架在整個(gè)工作面推進(jìn)的過(guò)程中運(yùn)行波動(dòng)比較大。在工作面推進(jìn)的觀(guān)測(cè)過(guò)程中，通過(guò)支架不同時(shí)期的阻力統(tǒng)計(jì)分析，獲得了支架總體初撐力分布頻率和工作阻力分布頻率，具體如圖3和圖4所示。由圖3、4可知，設(shè)計(jì)的初撐力達(dá)到額定的31.5 MPa的架次只占到測(cè)試架次的8%，說(shuō)明支架的初撐力遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)值。

圖3 初撐力分布頻率

圖4 工作阻力分布頻率

工作阻力大于額定初撐力31.5 MPa的在統(tǒng)計(jì)分析中僅僅占到測(cè)試架次的33%，工作阻力達(dá)到設(shè)計(jì)額定工作阻力44.2 MPa的在統(tǒng)計(jì)分析中僅僅占到測(cè)試架次的8%，并且在工作面沒(méi)來(lái)壓的時(shí)候大部分支架都在設(shè)計(jì)的初撐力以下，達(dá)到額定工作阻力的數(shù)據(jù)基本都是在頂板活動(dòng)劇烈的來(lái)壓期間。

3 巷道觀(guān)測(cè)分析

工作面上下巷道為矩形巷道，采用錨網(wǎng)梁支護(hù)。工作面上下巷道表面收斂變形與工作面推進(jìn)的位置關(guān)系見(jiàn)圖5,這表明，巷道表面收斂變形速度的變化規(guī)律與工作面頂板的運(yùn)動(dòng)具有一定相關(guān)性，總體來(lái)看巷道表面收斂變形的速度均較低，這說(shuō)明頂板的來(lái)壓強(qiáng)度較低。各巷道內(nèi)測(cè)站的表面收斂變形較小，巷道的頂?shù)装寤蛳锏赖膬蓭妥畲笞冃螢?1 mm。結(jié)合礦壓觀(guān)測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)，綜合考慮巷道支護(hù)質(zhì)量和安全等因素，工作面上下巷道目前的支護(hù)方式相對(duì)較安全，在工作面推進(jìn)過(guò)程中對(duì)巷道的擾動(dòng)較小。分析工作面上下巷道表面收斂變形的情況可以看出，巷道頂?shù)装遄冃尾⒉慌c觀(guān)測(cè)的距離之間成正比，與巷道掘進(jìn)施工的變化規(guī)律有很大差異。

圖5 頂?shù)装逡平c推進(jìn)關(guān)系

超前支撐壓力的觀(guān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6，在工作面發(fā)生來(lái)壓時(shí)，超前支撐壓力變化明顯，也就是超前支撐壓力的變化斜率要比平時(shí)大。從總體變化趨勢(shì)來(lái)看，其規(guī)律是距離工作面的位置越近，工作面超前支撐壓力的增加也越快，根據(jù)超前支撐壓力變化規(guī)律與工作面的位置關(guān)系，可用來(lái)預(yù)報(bào)工作面發(fā)生來(lái)壓的可能性。觀(guān)測(cè)期間由于儀表的安裝造成單體支柱的卸壓，初始測(cè)得的壓力都比較低，但不管是回風(fēng)還是運(yùn)輸順槽的頂?shù)讞l件都比較好，最終沒(méi)有影響其變化規(guī)律的總結(jié)。工作面上下巷道觀(guān)測(cè)表明，工作面的超前支撐壓力峰值距離工作面前方4～6 m，其影響的距離可達(dá)前方未采動(dòng)區(qū)域24 m。

圖6 超前支撐壓力分布規(guī)律

4 結(jié)論

(1)青龍寺煤礦高效工作面支架工作阻力比較低，老頂來(lái)壓時(shí)的動(dòng)載系數(shù)和來(lái)壓強(qiáng)度較低，來(lái)壓顯現(xiàn)強(qiáng)度與工作面推進(jìn)速度和工作面所處地質(zhì)條件均有關(guān)系。在以后的工作面開(kāi)采中還需要進(jìn)行支護(hù)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，以確保不同條件下工作面的支護(hù)效果和生產(chǎn)安全。

(2)工作面上下巷道的表面收斂變形都比較小，巷道圍巖表面收斂變形規(guī)律與頂板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有一定相關(guān)性，主要體現(xiàn)在不同超前支撐壓力導(dǎo)致不同的變形量上，處在距離工作面10～20 m范圍內(nèi)；由于超前支架的支護(hù)作用，變形速率變緩，巷道支護(hù)方式較安全，工作面的采動(dòng)對(duì)它的擾動(dòng)較小。