濟三礦綜放面異常來壓礦壓實測研究

張 洋 陳本華

（兗州煤業股份有限公司濟寧三號煤礦，山東 濟寧 272169）

濟寧三號煤礦坐落在濟寧市郊區，美麗的微山湖畔。南有微山島，北依濟寧市，西鄰微山湖，東望歷史名城、旅游圣地曲阜、泰安。東連京滬鐵路線，西通京九、京廣兩條鐵路大動脈，南經大運直達江南蘇杭，北靠327國道。地勢平坦，地理位置優越，交通暢通，運輸便利。礦井瞄準“中國第一，世界一流”目標，建設高產高效礦井，設計原煤年產800萬t，最終達到1000萬t。同時，利用礦井獨特的地理優勢，把濟三煤礦建設成為一個集綠化、旅游、度假、觀光為一體的，具有獨特風格的工業園林區。

1 工作面生產和技術條件

123下09工作面位于十二采區西部，西鄰八里鋪東斷層，東鄰123下08工作面（未準備）,123下09工作面因沖刷無煤區而分為南、北兩個塊段：北段南以無煤區與123下09工作面（南）相隔，北至井田邊界煤柱；南段設計停采線南距北區回風巷北幫100m，北以無煤區與123下09工作面（北）相隔。本工作面煤層分為兩段：北段煤層厚度3.00～5.54m，平均厚度3.95m。南段煤層厚度0.6～6.5m，平均厚度4.47m。北段煤層基本頂中砂巖，厚度29.58～33.94m，淺灰色-灰白色，成份以石英為主，長石次之，粘土質膠結，無直接頂，直接底泥巖，厚度0.50～1.20m，基本底粉砂巖及粉細砂巖互層，厚度9.45～9.84m，粉砂巖：深灰色，塊狀，具水平層理，層面上有較多炭屑，易碎。 第一切眼共布置60組液壓支架，支架為ZFG9000/22/38型液壓支架，工作阻力為7083～7272kN，輔順超前支護采用液壓單體支柱配合1.0m一字梁沿巷道走向架設3路一字梁棚支護。膠順超前支護采用一組ZT24500/18/35型支架和液壓單體支柱配合3.8m“π”型鋼一梁三柱支護。

2 工作面礦壓顯現經過

該工作面自2016年3月11日開始回采，推進14.5m后頂煤開始垮落，推進進尺輔順33.5m、膠順31.5m，支架工作阻力開始緩慢增阻，整架工作阻力在3860kN左右，機頭區域有少量淺部1m左右頂板巖石垮落，推進進尺55m時，采空區頂板仍未垮落，出現大面積懸頂現象，推進速度的減緩，采空區懸頂面積約4912m2，工作面煤壁片幫深度均在500～1100mm左右，支架平均阻力在4878kN，工作面煤炮聲響劇烈，支架立柱部分安全閥開啟，至此工作面停止生產，采取在工作面內每隔5個支架打一個頂板深孔進行爆破強制放頂措施，工作面恢復生產后，推進8m采空區有一次壓風現象。頂板大面積巖石冒落，有較大的煤炮聲響，采空區頂板垮落緊隨壓風鼓出，巷道內煤塵彌漫，頂板不斷有頂板震動聲響，持續約10min。在18～21#支架前梁處出現少量淋水，面前方上覆巖層出現大的裂隙帶，表明基本頂開始出現裂隙，在采取強制放頂措施后，上覆巖層的整體性被破壞，割煤后移架對頂板的擾動進一步加劇了頂板巖層的垮落速度。推進進尺輔順69.5m，膠順67.5m。15～48#支架壓力積聚明顯，壓力較大，頂板開始大面積垮落，采空區頂板垮落時，形成兩次大的壓風現象，此后頂板垮落逐漸趨于穩定，工作面87%的頂板已全部垮落，來壓期間礦壓顯現主要是：煤壁片幫量較大，片幫深度約300～500mm，工作面安全閥開啟率為30%，支架整架平均阻力達5187.5kN，工作面平均推進進尺91.5m時壓力明顯減弱，礦壓顯現趨于正常，基本頂初次來壓結束。基本頂初次來壓平均步距為76.5m，動載系數1.13。

3 礦壓觀測數據統計分析

3.1 工作面初次來壓期間壓力顯現特征一覽表

表1 工作面初次來壓期間壓力顯現特征一覽表

礦壓顯現技術數據特征：

（1）頂煤初垮：工作面推出切眼后，頂煤從工作面兩側開始垮落，初次垮落步距為14.5m。

（2）基本頂初次來壓：基本頂初次來壓步距為76.5m，來壓時煤壁片幫深度在500mm，支架增阻明顯，來壓期間整架平均阻力為4909kN/架，安全閥開啟率達30%。

（3）基本頂懸頂距離達65.5m，來壓期間工作面伴有多次壓風現象。

3.2 工作面巷道圍巖變形分析

輔順巷道圍巖變形測點布設：第1測點布置在距切眼20m，第2測點布置在距切眼40m，以此類推，每隔20m布置一個測點，共布置4個測站。采用“十字”布點法。分別觀測巷道頂板下沉量、兩幫位移量及變形速度。巷道圍巖表面變形曲線圖如圖1所示。

圖1 巷道圍巖表面變形曲線圖

從觀測圍巖變形總體情況來看，從圖1可以看出，巷道圍巖變形較小，工作面超前壓力影響程度較弱，兩幫最大變形量為45mm，頂板最大下沉量為8mm，頂板下沉速度最大5mm/d，兩幫移近速度最大32mm/d，超前支承壓力明顯影響范圍約為20m。巷道圍巖初期變形較小原因主要是：工作面巷道均為實體煤巷道，受測壓影響較小；工作面傾向距離較短，回采初期推進速度較快，基本頂運動所產生的動壓小且被甩向后方采空區側，所以工作面超前壓力對巷道的影響范圍較小，巷道兩幫的變形量及頂板的完整性變化不大。

3.3 頂板動態監測數據分析

圖2 頂板動態變化曲線圖

在工作面輔順超前段支設頂板動態儀2臺，主要觀測頂板下沉速度及判斷頂板的初次斷裂位置。通過對頂板動態曲線圖2分析，頂板在超前支承壓力的作用下，工作面頂板隨距煤壁的遠近呈線性下沉，距煤壁15m，頂板下沉速度2.4mm/d，距煤壁5m，頂板下沉速度2.9mm/d。累計下沉量5.3mm，速度變化與巷道圍巖變形測點基本吻合。23日夜班1：29分頂板動態儀出現拐點，距煤壁13.5m，讀數變小，此讀數變化表明了工作面頂板出現斷裂反彈現象，頂板斷裂持續時間8h，隨工作面的推進，23日早班8：20分頂板恢復，在工作面臨近斷裂線時基本頂出現加速下沉的現象（23日早班-24日夜班）。

3.4 微震監測數據分析

圖3 微震監測次數與能量曲線圖

工作面3月20日微震數據顯示有能量非常大的事件，與現場跟班人員統計的采空區頂板第一次大面積垮落時造成壓風現象基本吻合。表明基本頂仍然未斷裂，這與頂板動態儀觀測數據相一致，本次頂板垮落是采空區大面積懸頂時積聚的能量得到釋放的顯現，此后頂板的震動次數在22日較多，震動能量基本一致，這與基本頂斷裂來壓顯現過程基本吻合。

4 采空區大面積懸頂原因分析

4.1 地質條件因素

（1）厚而堅硬的基本頂巖層加大了頂板彎曲垮落難度。由于基本頂巖層較厚，平均厚度31.25m，f=8～10。巖層硬、厚無薄弱面，頂板的整體及完整性較好。

（2）工作面四周不受采空區上覆巖層活動的影響，工作面內無斷層構造。

4.2 生產技術因素

（1）工作面初采推進速度較快。推進速度9m/d，最快速度13m/d。

（2）工作面為短壁工作面，傾斜長度只有88m，故基本頂的初次垮落步距較長壁開采同等條件下要大。

（3）支架工作阻力在短壁綜放工作面快速推進階段變化不大，支架增阻時間較短，致使工作面整體壓力變化不大，減少了上覆巖層的運動范圍。頂板下沉范圍和重量變小，基本頂運動時礦壓顯現影響明顯減弱。這是由于超前支承壓力在工作面的持續快速推進下，基本頂運動所產生的動壓沖擊被甩向工作面后方采空區側，同時造成工作面采空區頂板大面積懸頂。

5 結語

（1）應加強工作面支架及兩順槽支護質量管理。支架初撐力必須達到規程要求，以提高工作面整體支護強度。加強支架對頂板的控制能力，有利于工作面頂板管理。

（2）控制好工作面推進速度，推進速度控制在5m/d以內，勻速推進，以加快采空區頂板的垮落速度。

（3）控制好采高，應避免出現工作面采高偏低或偏高現象，頂板破碎區域應采取措施加強支護。兩順槽采空區出現懸頂距離較大時，必須及時采取放頂措施。

（4）見方期間工作面高位巖層活動范圍逐步擴大，屆時工作面礦壓顯現將會增強，應加強工作面及兩巷的支護質量與頂板管理。