大采高工作面礦壓顯現規律研究

郝 俊

(大同煤礦集團王村煤業有限責任公司，山西 大同 037000)

引 言

近年來，隨著采煤技術和采煤機械的不斷發展，厚煤層的開采技術發展越來越成熟，進行大采高綜采已成為厚煤層開采的主要方式。但是由于厚煤層開采范圍大，造成的地應力擾動大，在開采時會面臨嚴重的礦壓顯現情況，并且頂、底板和兩幫的穩定性較差，在地下開采時很容易顯現出頂板垮落、底鼓和片幫現象，因此進行大采高綜采工作面礦壓顯現規律的研究對于大采高綜采工藝的安全、廣泛應用具有十分重要的意義。基于此，以淮北孫疃礦1036工作面厚煤層開采作為研究背景，進行大采高綜放工作面礦壓顯現規律研究，以期對該礦及相似地質條件下煤礦的支護工作、安全生產提供指導。

1 工作面概況

孫疃礦1036工作面所在煤層埋深為350 m～596 m，煤層平均厚度為5.4 m，煤層傾角為7°～12°，屬近水平煤層。工作面走向長923 m，傾向長192 m，工作面頂底板主要為泥巖、細砂巖組成，節理裂隙發育，整體連續性較差，強度低，在周期來壓時易在頂板中部形成應力集中區域，從而造成頂板的下沉變形。煤體兩幫承受的地應力較大，在圍巖擠壓作用下，煤壁片幫現象嚴重，在巷道底板隨處可見垮落的煤體、矸石。因此進行1036工作面的礦壓顯現規律研究對于1036工作面的安全回采意義重大[1]。

2 礦壓監測方案

實時監測是探索礦壓顯現規律的最有效措施，采用ZYDC-1自動監測系統來進行1036工作面礦壓分布情況監測。監測點布置在沿工作面傾斜方向，布置3個監測區域，通過在監測區的液壓支架上安裝ZYDC-1自動監測系統來記錄回采過程中的應力變化情況，實現了記錄監測的自動化。工作面液壓支架布置，如圖1所示。圖1中的5#、19#、33#液壓支架作為第Ⅰ監測區，67#、81#、95#作為第Ⅱ監測區域，131#、145#、151#支架作為第Ⅲ監測區域，通過對各自監測區域內的液壓支架阻力變化來進行礦壓分析。

圖1 工作面支架布置示意圖

3 礦壓監測數據分析

通過對所取觀測點礦壓數據的監測統計，得到的工作面來壓步距統計結果，如第98頁表1所示。

通過對工作面來壓情況的統計分析，發現在工作面開始推進后，工作面受采動影響明顯[2]。在推進7 m時，受到應力擾動的影響，工作面22#—111#支架之間的所支撐的頂板部分開始冒落，煤體及矸石開始下落；工作面持續推進，圍巖受到循環加卸載的擾動且應力擾動范圍不斷擴大，在推進到16 m時，整個工作面的直接頂已基本垮落，上部的老頂在覆巖自重的作用下開始下沉，同時煤壁片幫現象嚴重。在工作面冒落的矸石碎裂無規則，多以小塊的破碎形式呈現，說明頂板來壓造成頂板巖石的擠壓破碎現象嚴重。在工作面推進到26.8 m～28.0 m時，頂板出現初次來壓，來壓步距為27.4 m，此后，工作面頂板開始出現周期性來壓現象，通過對7次周期性來壓的數據統計分析，認為老頂來壓的平均步距為29.8 m。

表1 工作面來壓步距統計表

3.1 液壓支架工作阻力分布情況

在1036工作面所采用的液壓支架的額定工作阻力為11 440 kN，額定初撐力為10 850 kN，在工作面頂板來壓過程中的最大初撐力為7 941 kN，占液壓支架設計初撐力的73%，還有較大的富余程度；支架的最大工作阻力為9 180 kN，占額定工作阻力的80.2%，周期來壓過程中支架的動載系數為1.2～1.5之間，平均為1.35[3]。

來壓期間和回采期間支架承載分布情況，如圖2所示。

圖2 壓力分布圖

由圖2可以看出，在周期來壓期間，有接近80%的液壓支架壓力大于350 Pa，其中在350 Pa～400 Pa之間的液壓支架數占50%左右，體現了液壓支架的支撐作用，少部分約8%的液壓支架壓力小于300 Pa，這可能是直接頂冒落后，液壓支架頂部與老頂之間接觸不好，使得液壓支架沒有發揮該有的承載能力。在回采期間壓力為250 Pa～350 Pa的液壓支架數最多，約占80%，大于350 Pa的只占3.5%，整體來說回采期間的液壓支架承壓分布情況比較穩定[4]。

3.2 工作面走向來壓特征

工作面在初次來壓之后，頂板的礦壓顯現情況均比較平穩，在初次來壓至推進40 m之間支架支撐穩定，頂板及兩幫變形情況得到減緩。在持續推進到60 m～70 m時，又呈現了工作面壓力的突然增大，大量頂煤及矸石破碎垮落，煤壁片幫嚴重，液壓支架的工作壓力增大，有36%的液壓支架開啟了安全閥。分析其原因認為在工作面持續推進過程中，除了工作面頂板周期來壓之外，在開采到中部區域時出現了超前來壓現象，超前來壓使得工作面的壓力驟然增大。同時由于在工作面開采至中部以后，工作面所面臨的地質條件復雜、頂板松軟，導致開采速度的減緩，造成了來壓步距的減小，在工作面推進140 m后，來壓步距減小為23 m，來壓發生頻率增大，因此對于開采至中部以后的來壓現象需要多加重視。

3.3 工作面傾向來壓特征

工作面頂板傾向來壓情況數據統計結果，如表2所示。

表2 工作面頂板傾向來壓數據表

由表2可以看出，在工作面來壓過程中，在工作面中部區域的支架阻力要明顯大于工作面兩端的支架阻力，中部區域是來壓時的應力集中區域，頂板的破壞先從工作面中部區域開始向兩端擴展[5]。非來壓期間，工作面傾向支架阻力整體比較均勻，說明頂板承壓較為穩定。但是Ⅱ區域的支架阻力和動載系數要大于Ⅰ、Ⅲ區域，分析認為這是由于工作面的直線特性，造成開采后應力集中逐漸向中部轉移。

4 結論

通過對孫疃礦1036大采高工作面礦壓監測及分析，得到如下幾個結論。

1) 大采高工作面面臨的礦壓顯現情況較為嚴重，在工作面推進至初次來壓之前，工作面的頂板垮落、變形及煤壁片幫現象嚴重，初次來壓步距為27.4 m，平均來壓步距為29.8 m。在初次來壓之后，礦壓顯現情況基本穩定。

2) 在工作面周期來壓和回采過程中，液壓支架能夠發揮該有的承載作用，液壓支架選型設計合理[6]。

3) 在工作面頂板初次來壓之后，沿著工作面走向推進到60 m～70 m會顯現出超前來壓現象，沿著工作面傾向頂板來壓會顯現出向中部集中的現象，頂板的破壞由中部向兩端擴展。

4) 工作面的推進速度會影響來壓步距和來壓頻率，因此實現快速推進能夠更好的控制頂板。同時由于不同地質條件下的礦壓顯現規律差異性較大，對于復雜地質條件及堅硬頂板情況下的大采高開采礦壓顯現規律仍需要作針對性的研究，并不能一概而論。