厚煤層工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律研究

郝效斌

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律的研究是井下安全開采的重要研究方向之一，而工作面礦壓觀測是確保工作面支護及頂板管理、巷道支護安全高效的重要手段之一。因此，做好工作面的實際礦山壓力監(jiān)測，分析工作面實際礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律，對預防來壓具有重要意義。

本文以西山煤電馬蘭礦18303厚煤層工作面為研究背景，通過工作面礦壓觀測的方法，研究該工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為馬蘭礦18303工作面頂板合理有效支護提供對策。

1 工程概況

西山煤電馬蘭煤礦位于山西省古交市轄區(qū)內(nèi)，為國有重點煤礦之一，設計生產(chǎn)能力為500萬t/a，現(xiàn)主采2號煤和8號煤。其中，8號煤層平均煤厚為6.8m，為全區(qū)可采的厚煤層。

18303回采工作面可采儲量為216.36萬t，上覆基巖的平均厚度分布在110～230m之間，其中較為松散的巖層，厚度在8～23m之間。該煤礦18303工作面煤層傾角為1～3°。采用傾斜長壁后退式采煤法開采該18303工作面，一次采全高，全部垮落法管理頂板。該工作面可采走向長為1955m，工作面長度為242m，工作面寬度為7.5m，工作面日推進量為3.2m。本次進行礦壓觀測研究時，18303工作面已回采60d，推進了192m左右。

2 礦壓觀測方案

本次觀測的內(nèi)容主要是馬蘭礦18303工作面集中煤柱前后100m范圍內(nèi)，工作面液壓支架的支護阻力及礦壓顯現(xiàn)的現(xiàn)象等。本次主要是結合18303工作面回采順序，按照開采的時間先后進行實地監(jiān)測。

（1）礦壓觀測內(nèi)容

本次觀測主要分為兩個階段進行：工作面正常回采階段和工作面進煤柱階段。其中的觀測重點在于煤柱前100m和煤柱后100m，由于煤柱與工作面推進持平，煤柱礦壓變化已知最為劇烈，故無需再進行礦壓觀測。本次礦壓觀測主要對工作面支架全面觀測和深基點附近支架專項觀測，對不同階段的工作面液壓支架工作阻力、初撐力、末阻力、活柱下縮、來壓步距及強度、支架工作特性進行統(tǒng)計分析。

（2）礦壓分析階段劃分

根據(jù)工作面距離上覆集中煤柱的距離及觀測數(shù)據(jù)完整情況，以上層煤遺留煤柱邊界線為基準，把整個觀測過程分為2個階段。

階段一為過采空區(qū)階段，推進長度為113m，這一階段中由于電液控數(shù)據(jù)不完整，主要以分析人工觀測數(shù)據(jù)為主，著重分析工作面在上覆煤層采空區(qū)情況下的礦壓特點；

階段二為進煤柱階段，從距第一個煤柱邊界21m到進第一個煤柱6.9m范圍內(nèi)，在該過程中的礦山壓力現(xiàn)象是該部分的分析重點。

3 工作面礦壓規(guī)律分析

3.1 工作面正常回采階段

馬蘭礦18303工作面的正常回采階段為2017年8月4日～2017年8月13日（工作面距煤柱134～57m），在這一階段中，每班安排一名研究人員跟班下井，超前采煤機20架左右記錄支架控制板上的立柱壓力讀數(shù)，并記錄工作面支架安全閥的開啟情況。

圖1 安全閥開啟分布統(tǒng)計圖

由于沒有較為精準的來壓數(shù)據(jù)做指導，所以對觀測記錄中安全閥開啟的情況進行統(tǒng)計。本次人工觀測過程中，判定指標為安全閥是否開啟，并以此作為依據(jù)，來判斷來壓步距。

在人工跟班觀測期間，一共連續(xù)記錄了105刀共計91m的安全閥是否開啟以及立柱壓力情況，其分布范圍如圖1所示。

通過人工統(tǒng)計安全閥開啟的情形，可以發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象，工作面的上方和下方的來壓步距并不一致。在統(tǒng)計過程中，發(fā)現(xiàn)工作面的上方一共出現(xiàn)了5次頂板來壓的現(xiàn)象，計算得知，這5次的來壓步距分別為10.4m、18.2m、14.7m和20.8m。但是，與工作面下方的來壓相對比可以發(fā)現(xiàn)，工作面下方一共出現(xiàn)了四次礦山壓力來壓現(xiàn)象，計算得知，這四次的來壓步距分別為14.7m、11.3m和16.4m。綜合分析發(fā)現(xiàn)，有兩次來壓時間上較為重合，周期來壓范圍較大。

3.2 工作面進煤柱階段

馬蘭礦18303工作面進煤柱階段為2017年8月14日～2017年8月15日，根據(jù)工作面支架實測的支架工作的實際阻力曲線圖，統(tǒng)計計算得到支架循環(huán)末的平均阻力，并分別對各個支架計算均方差。下表1所示為統(tǒng)計得出的42#、50#、63#、80#支架（這4個支架為工作面中間段支架，該段支架所受礦山壓力最大）的循環(huán)末阻力值和均方差，并計算得出來壓的判斷依據(jù)。

表1 支架周期來壓判據(jù)

根據(jù)表1計算出來得到的來壓判斷依據(jù)繪制在支架工作阻力上，如圖2所示。通過對支架立柱壓力曲線圖進行分析，8月14日21點左右支架的工作阻力明顯增高，工作面發(fā)生了一次大的來壓現(xiàn)象，此時工作面距離第一個煤柱邊界9.7m。這次來壓一直持續(xù)到8月15日8點多早班結束，來壓期間工作面向前推進了8.4m，此時工作面距離第一個煤柱邊界1.3m，之后工作面壓力維持在一個較小的數(shù)值。從綜采一隊的8月14日中班和8月15日夜班的生產(chǎn)記錄可知，在這一時間段內(nèi)，工作面確實發(fā)生了持續(xù)時間較長的來壓現(xiàn)象，整個工作面的安全閥開啟，來壓較為猛烈。在一個割煤循環(huán)內(nèi)，支架活柱下縮量最大可以達到1000mm。

根據(jù)曲線分析和生產(chǎn)情況反饋，可知，在工作面進煤柱前，全工作面發(fā)生了大的周期來壓現(xiàn)象，進入煤柱之后周期來壓消失，工作面壓力減少。

根據(jù)工作面來壓情況數(shù)據(jù)，選取42#、50#、63#和80#的液壓支架數(shù)據(jù)，對其所實際測得的循環(huán)末的阻力加以區(qū)別和分類，分別劃分成為來壓期間循環(huán)末阻力和非來壓期間的循環(huán)末阻力，并分別計算二者的平均值，然后計算得到各個支架在來壓期間的動載系數(shù)如表2所示。

圖2 支架工作阻力曲線圖

表2 工作面來壓動載系數(shù)統(tǒng)計表

綜合圖2中各支架的工作阻力曲線圖和表2中計算得到的各個支架在來壓期間的平均循環(huán)末阻力和非來壓期間的循環(huán)末的支架平均工作阻力，對比發(fā)現(xiàn)，在工作面進煤柱開采階段，在周期來壓之前，各個支架的工作阻力都比較小，但是當周期來壓時，支架的工作阻力會有顯著的變大，迅速上升達到安全閥開啟的閾值，導致安全閥開啟。比較各個支架的動載系數(shù)可以看出，動載系數(shù)分布在1.50～2.00之間，最大動載系數(shù)高達2.00，說明周期來壓劇烈。

在工作面進煤柱這一階段，對工作面中的各個支架的循環(huán)末的支架工作阻力進行統(tǒng)計，得到分布直方圖，如圖3所示。

圖3 工作面進煤柱階段支架末阻力分布直方圖

通過上圖3中數(shù)據(jù)可以看出來，非來壓期間，各支架的循環(huán)末的工作阻力分布范圍在11000～12000kN之間，來壓期間，各支架的循環(huán)末工作阻力主要分布在17000～19000kN范圍之間，其中有11.7%的循環(huán)末阻力超過安全閥的開啟值。

4 結論

馬蘭礦18303工作面的礦壓觀測是在人工觀測和系統(tǒng)自動觀測相結合的方法的基礎上，通過對兩個階段的礦山壓力顯現(xiàn)現(xiàn)象進行了分析，分析結果如下：

本次礦壓觀測按照回采順序劃分成兩個階段，分別是工作面正常回采階段和工作面進煤柱階段。工作面正常回采階段，工作面上部和下部存在周期來壓不同步現(xiàn)象，工作面上部出現(xiàn)5次周期來壓，平均步距為16m，下部出現(xiàn)4次周期來壓，來壓步距平均為14.1m。上部和下部有兩次來壓時間重合，形成了全工作面來壓。工作面進煤柱階段，工作面在進煤柱前9.7m整個工作面來壓，來壓期間活柱急劇下縮，最大下縮量達到1000mm，來壓持續(xù)了8.4m。工作面來壓時的動載系數(shù)最高達到2.0，來壓劇烈。

本次研究有效地預判了工作面來壓規(guī)律，為馬蘭礦18303工作面頂板合理有效支護提供對策。