淺埋深大采高超長工作面礦壓顯現規律研究

王 睿

(山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 興縣 033602)

當前，走向長壁綜合機械化開采已經成為我國煤礦的主要開采方式。對于煤礦來說，在煤層厚度一定的條件下，增加工作面傾斜長度成為礦井高產高效的重要途徑。延長工作面傾斜長度有利于提高工作面單產、減少區段保護煤柱的留設、提高煤炭資源的采出率。但隨著工作面長度的增加，采空區垮落面積增大，對采空區頂板控制、煤壁片冒治理等都提出了更高的要求[1-5]。因此，開展超長工作面礦壓顯現規律的研究，對工作面端面煤巖控制、支架選型等具有重要的指導意義。

1 工作面概況

1.1 地質條件

山西斜溝礦18112工作面開采8號煤，地面為黃土覆蓋，埋深為44～268 m，平均埋深160 m。工作面頂底板情況如圖1所示。

圖1 18112工作面頂底板巖性

18112工作面整體為一走向近南北傾向西的單斜構造，巷道掘進過程中揭露有一落差4.3 m的斷層，可能會對工作面生產造成較大影響。

1.2 生產條件

18112工作面長度294 m，推進長度3 797 m，一次采全高，采高為5.75 m，頂板全部垮落。采用“四六”工作制，3班生產，每班割煤3刀，截深0.8 m。工作面安裝液壓支架174架，其中ZY12000/28/64D型中間液壓支架100架、ZY10800/28/63D型中間液壓支架60架，過渡支架和端頭支架各7架，工作阻力為12 000 kN。

工作面運輸巷和運料巷斷面為矩形，運輸巷尺寸為6 200 mm×3 800 mm(寬×高)，運料巷尺寸為5 600 mm×3 800 mm(寬×高)，沿8號煤層底板掘進，錨網支護。

1.3 礦壓觀測內容及方法

18112超長工作面的礦壓觀測主要包括三部分：支架工作阻力監測、超前支承壓力監測和端面穩定性監測。監測內容及目的如表1所示。

表1 礦壓觀測內容及方法

2 超前支承壓力顯現

2.1 測站布置

在工作面前方50 m，設置超前支承壓力觀測測站，每個測站安裝7個鉆孔應力計，深度分別為3 m、4 m、5 m、7 m、9 m、12 m和15 m。具體如圖2所示。

圖2 鉆孔應力計布置(m)

其中，測站1各應力計的統計結果如表2所示。

表2 2號測站鉆孔應力監測統計

2.2 觀測結果分析

工作面平均埋深為160 m，原巖應力為3.9 MPa，根據工作面超前支承壓力觀測結果繪制如圖3所示[6]。

圖3 支承壓力分布圖

由圖3可以看出，18112工作面超前支承的影響范圍較大，最長距離為工作面前方47.7 m，最大支承壓力為7.8 MPa，應力集中系數為2，位于工作面前方7.9 m處。

3 支架工作阻力監測

連續記錄130 m，約5個來壓周期的液壓支架工作阻力。在工作面推進過程中，記錄工作面液壓支架的工作阻力，分析支架液壓變化特征，確定來壓步距、評價支護強度及架型合理性。

3.1 推進方向支架工作阻力監測

在工作面10號、40號、70號、100號、130號和160號支架處設置測站，記錄支架工作阻力的同時，觀測斷面的片幫、冒頂情況。其中10號支架靠近工作面巷道，見表3。

表3 工作面傾向各個測站記錄結果 m

綜合分析支架液壓、冒頂和片幫狀況可以得出，工作面傾斜方向上，工作面上、中、下部的初期來壓和周期來壓步距并不一致，中間支架的來壓步距小于巷道側，工作面中部的初次來壓步距約30.8 m，而上部和下部的初次來壓步距均在32 m以上。周期來壓步距也呈現類似的規律。

這表明超長工作面的來壓與常規工作面的不同，由于跨距小，常規工作面都是同時來壓，而工作面增長之后，中部懸空面積最大，最先出現垮落，然后向工作面兩側延伸。

3.2 傾斜方向上支架工作阻力監測

工作面推進至55 m，第一次周期來壓期間工作面各支架的工作阻力統計，如表4所示。

表4 來壓期間支架工作阻力統計

在工作面來壓期間，有3個支架初撐力不足，經檢查為漏液所致。大部分支架工作阻力都在初撐力以上，有1個支架超過了額定工作阻力，安全閥開啟。

可以看出，11812工作面支架液壓基本上能滿足工作面的支護需求，支架工作狀態良好，性能得到充分發揮。從工作面全部支架液壓信息可知，大部分液壓支架的工作阻力都在初撐力以上，未到達額定工作阻力，工作面支架的工作阻力可以得到發揮并有一定程度的富余。

3.3 端面片冒特征

在觀測期間，沒有發生大面積片幫，無冒頂事故。片幫高度統計如表5所示。

表5 片幫高度統計 m

現場統計可以看出，18112大采高工作面普遍存在片幫顯現，端面都有一定程度的破壞，中間部分的片幫程度明顯劇烈于兩側。原因分析為工作面中部為ZY10800/28/63D型中間液壓支架，支架工作阻力相對較低，控制效果不理想。觀測表明，同一液壓支架處來壓期間和非來壓期間片幫程度相差較小，證明支架工作工作狀態良好，對頂板和煤幫有較好的控制效果。但在正常回采過程中要注意端面維護，防止惡性冒頂片幫事故的發生。

3.4 支架選型評價

以現場觀測的資料為基礎，估算工作面所需支架的工作阻力。

以上計算可以看出，支架額定工作阻力需在10 072 kN以上，18112工作面所有液壓支架均能夠滿足要求。但60架中間液壓支架的工作阻力為10 800 kN，相對較低。在工作面回采過程中，應注意加強巡檢和維護，保證支架的工作阻力，防止片幫冒頂的發生。

4 結 語

1) 18112大采高超長工作面超前支承壓力的影響范圍為47.7 m，在工作面前方7.9處達到峰值，最大支承壓力為7.8 MPa，應力集中系數為2。

2) 由于跨距大，超長大采高工作面上中下部的來壓步距并不一致，一般工作面中部來壓最早，靠近巷道處相對滯后。工作面初次來壓步距為32.1 m，周期來壓步距為21.8 m。

3) 以現場觀測數據為基礎，計算得到支架的額定工作阻力為10 072 kN，18112工作面支架選型合理，能夠滿足頂板和煤壁的控制要求。