桑樹坪二號井綜放工作面頂板來壓規律分析

薛 斌，蘇冠宇

(陜西陜煤韓城礦業有限公司桑樹坪二號井，陜西 韓城 715405)

0 引言

井工煤礦開采深度的日漸加深，在巷道和工作面周圍煤巖體支撐物上形成力的逐步增大，破壞原巖應力平衡狀態之后巖體應力重新分布引起巖移運動，其對支架圍巖所產生的作用力稱為礦山壓力。在煤礦生產過程中，礦壓的實時監測和預警對提升礦井技術經濟效益和安全效益具有重大的現實意義。

現有研究中，國外學者普遍認為如果在淺層煤炭的開采過程中出現了頂板破斷現象，會對地表產生一定的影響，同時造成頂板破斷角變大，地表下沉速度加快，來壓明顯且難以控制等現象[1-2]。國內學者錢鳴高等[3]采用類比的方法給出了大采高支架的合理工作阻力；郝海金等[4]認為，在計算工作面支架工作阻力時，應將直接頂視為損傷體，由此得到了工作阻力的計算公式，得出了巖柱重量計算工作阻力的優點；趙宏珠[5]針對我國大采高技術使用初期的支架使用情況進行總結，初步給出了支架的阻力計算方法及支架選型。

采煤工作面無論是初次來壓還是周期來壓，它們均與基本頂巖性、厚度以及地質構造等因素有關，尤其綜采放頂煤工作面，頂板來壓顯現較劇烈[6-12]。為此，從韓城礦業公司桑樹坪二號井選取了兩個不同采區的典型工作面(1319綜放工作面及3307綜放工作面)進行來壓步距分析及頂部巖性對來壓步距的影響，從而得出礦山壓力顯現規律并給予可行性建議，提出適應工作面的頂板支護控制措施，最終優化整合礦井結構控制體系，保障安全回采。

1 礦壓觀測內容及方法

1.1 觀測工具

工作面安裝有KJ216煤礦頂板動態在線監測系統，所有分站數據通過本安分站、監測主站傳輸到地面，地面電腦可實現實時在線監測，如圖1所示。

圖1 KJ216頂板在線監測系統拓撲圖

1.2 測線布置及數據分析

工作面每8臺支架安設1臺壓力監測分站，間隔12 m。連續收集工作面礦壓觀測數據，將分站數據平均值上升和下降作為判斷依據，結合工作面推進度，找出出現數據峰值之間距離，依此來分析工作面來壓規律。

2 工程概況

2.1 二號井整體概況

桑樹坪二號井位于陜西省韓城市東北約37 km的黃河西岸，與山西省隔河相望，行政區劃隸屬于陜西省韓城市桑樹坪鎮管轄。井田南北長約6.0 km，東西寬約1.5 km，面積6.793 6 km2，地質資源儲量為55 Mt，可采儲量31 Mt。井田東部煤層埋藏較淺，3號煤距地表僅200 m左右，向西方向逐漸變深，最深處400 m左右。井田內3號煤層平均厚度為5.84 m，煤層傾角在7°以下，煤層傾角較小。礦井采用斜井單水平開拓方式，采用長壁式一次采全厚綜采放頂煤，全部垮落法管理頂板。

2.2 1319綜放工作面概況

1319綜放工作面長度為570 m(可采長度520 m)，切眼寬度175 m，煤層平均厚度6.05 m，煤層厚度穩定。煤層偽頂為泥巖，質軟、破碎，節理發育，易垮落，厚度在0.05～0.2 m；直接頂為細、粉砂巖，鈣泥質膠結，厚度在1.5～1.8 m，較致密堅硬。老頂為中、細粒砂巖，灰白色、深灰色，薄層狀，巖石成分以石英為主，長石次之，可見少量暗色礦物，鈣、泥質膠結，中部夾有灰黑色粉砂巖薄層，較致密堅硬，厚度在3.0～8.0 m。

2.3 3307綜放工作面概況

3307綜放工作面長度為925 m(可采長度868 m)，切眼寬度175 m，煤層平均厚度6.1 m，煤層厚度穩定。煤層偽頂為泥巖，質軟、破碎，節理發育，易垮落，厚度在0.05～0.2 m；直接頂為細砂巖或砂質泥巖，工作面中南部為細粒砂巖，深灰色，厚層狀，水平層理，巖石成分以石英為主，長石次之，可見少量暗色礦物，厚度在2.3～3.5 m；工作面北部為砂質泥巖，灰黑色，泥質為主，夾薄層細砂巖，厚度在2.6～3.0 m；老頂為細、粗砂巖，灰色或灰白色，以石英為主，可見少量暗色礦物、云母及炭屑，分選性差，垂直裂隙發育，厚度在11～18 m。

3 觀測成果及來壓規律分析

桑樹坪二號井綜放工作面初采初放期間，沿頂板進行回采，初采初放工作結束后，進行下扎至煤層底板，采用沿底回采放頂煤工藝。工作面一般要求采高為2.5～2.7 m，平均2.6 m，放煤厚度3.4～3.5 m，采放比為1∶1.3～1∶1.35，放煤步距0.6 m，即一采一放，放煤方式為單輪順序放煤。

3.1 初步來壓觀測

1319綜放工作面初步來壓觀測：1319綜放工作面2018年1月10日開始推采；1月17日初采初放工作結束。運順推采距離為18 m，回順推采距離為13 m，平均推采15.5 m。工作面老空基本全部垮落充分，兩端頭老空巷道出現頂板緩慢傾斜下壓，僅余靠煤柱三角區(高2.5 m、寬2 m)未充填。由此推斷，1319綜放工作面初次來壓步距為15.5 m。

3307綜放工作面初步來壓觀測：3307綜放工作面2018年12月27日開始推采；2019年1月11日推采20 m后，1～15#支架處頂板垮落厚度為1 m，老空未完全充填，形成大面積懸頂，其余地點全部垮落充分；1月12日～17日，進行運順端頭強制放頂4次，效果不佳，其后采取了端頭老空加設木垛，進行加強支護；1月21日，工作面推采57 m后，1～15#支架處老空頂板全部垮落，初采初放工作結束。由此推斷，3307綜放工作面初次來壓步距為57 m。

3.2 周期來壓規律分析

1319綜放工作面周期來壓分析：根據工作面前、中、后部均勻選取了3個分機作為觀測點，工作面連續推采的3個月礦壓在線監測數據為依據(2018年3月～2018年5月)，分別進行周期來壓分析。①2018年3月份。3月份1319工作面共計推采79 m，推采過程中，經頂板在線壓力數據分析(由于3月13日、14日頂板在線系統出現故障，無數據)，工作面在當月推采過程中出現周期來壓9次，具體見表1。根據觀測結果，1319綜放工作面2018年3月份周期來壓步距6～12 m，平均9 m；②2018年4月份。4月份1319工作面共計推采100 m，推采過程中，經頂板在線壓力數據分析(由于4月6日～10日頂板在線系統出現故障，無數據)，工作面在當月推采過程中出現周期來壓6次，具體見表2。

表1 2018年3月份周期來壓觀測結果

根據觀測結果，1319綜放工作面2018年4月份周期來壓步距8.4～12 m，平均10 m；③2018年5月份。5月份1319工作面共計推采102 m，推采過程中，經頂板在線壓力數據分析(由于5月1日～2日頂板在線系統出現故障，無數據)，工作面在當月推采過程中出現周期來壓9次，具體見表3。根據觀測結果，1319綜放工作面2018年5月份周期來壓步距6.8～14.6 m，平均10.7 m。

表2 2018年4月份周期來壓觀測結果

表3 2018年5月份周期來壓觀測結果

綜上所述，根據3個月的數據對比分析，1319綜放工作面周期來壓步距基本在10 m左右。

3307綜放工作面周期來壓分析：根據工作面前、中、后部均勻選取了3個分機作為觀測點，工作面連續推采的3個月礦壓在線監測數據為依據(2019年3月、5月、6月，由于4月系統出現故障時間較長，缺失數據較多)，分別進行周期來壓分析。①2019年3月份。3月份3307工作面共計推采91.8 m，推采過程中，經頂板在線壓力數據分析(由于3月16日～21日、25日、16日頂板在線系統出現故障，無數據)，工作面在當月推采過程中出現周期來壓4次，具體見表4。根據觀測結果，3307綜放工作面2019年3月份周期來壓步距9.6～18 m，平均13.8 m；②2019年5月份。5月份3307工作面共計推采149.1 m，推采過程中，經頂板在線壓力數據分析(由于5月18日、22日、23日頂板在線系統出現故障，無數據)，工作面在當月推采過程中出現周期來壓9次，具體見表5。根據觀測結果，3307綜放工作面2019年5月份周期來壓步距11.1～21.6 m，平均16.4 m；③2019年6月份。6月份3307工作面共計推采113.4 m，推采過程中，經頂板在線壓力數據分析(由于6月10日、17日、28日～30日頂板在線系統出現故障，無數據)，工作面在當月推采過程中出現周期來壓6次，具體見表6。根據觀測結果，3307綜放工作面2019年6月份周期來壓步距10.5～18 m，平均14.3 m。

表4 2019年3月份周期來壓觀測結果

表5 2019年5月份周期來壓觀測結果

表6 2019年6月份周期來壓觀測結果

綜上所述，根據3個月的數據對比分析，3307綜放工作面周期來壓步距基本在15 m左右。

3.3 來壓步距不同的原因分析

根據1319綜放工作面內B12′-1地質鉆孔和3307綜放工作面內B20-2、B21-1地質鉆孔資料，兩個工作面頂板巖性、厚度及來壓規律見表7。對比分析可知，兩個工作面切眼長度和回采工藝均相同，造成初次來壓及周期來壓來壓步距不同的原因，主要為上覆巖層頂板巖石厚度及巖性不同。

表7 1319及3307工作面情況對比

4 結語

由于礦井采用的沿頂掘進、沿底回采、兩巷超前拉底架設木垛的工藝，造成綜放工作面回采來壓期間，壓力顯現較大，所以在初次來壓或周期來壓前，都必須根據頂板壓力情況采取加強支護的安全措施。具體如，所有支架、單體支護必須保證足夠的初撐力，并每班進行不少于2次補液；兩端頭切頂線支護密柱、戧棚戧柱支設齊全有力，必要時設1～3組叢柱支護，如老空壓力過大，跟隨端頭切頂線打設木垛進行加強支護；工作面控制采高，嚴禁超高作業，同時拉架后保持支架頂梁平整；工作面拉移架必須進行跟機作業，并且帶壓擦頂移架，遵守“少降快拉”原則，及時伸出伸縮梁及護幫板，減少漏頂量。