胡底煤礦1303(上)綜采工作面礦壓顯現規律研究

翟子波

(山西晉煤集團沁水胡底煤業有限公司,山西 晉城 048200)

1 工程概況

胡底煤礦1303(上)工作面位于3號煤一盤區，工作面埋深594 m左右，開采煤層為3號煤層，煤層厚度5.20～6.15 m，平均厚度5.72 m。煤層頂板為7.34 m厚的粉質泥巖，含植物化石較堅硬，老頂為3.56 m厚細粒砂巖，直接底為6.78 m厚粉砂質泥巖，老底為3.8 m厚細砂巖。1303(上)工作面回采上分層平均采高在2.85 m，簡單煤層結構，穩定。工作面采用MG250/600-WD型交流電牽引采煤機進行回采，工作面液壓支架共計147架，其中，中間架采用ZPZ5200/17/35型140架，過渡架采用ZPG5200/17/35型支架5架(排頭2架，排尾3架)，端頭支架采用ZTZ11582/18/35型支架2架進行支護。

由于在上一工作面回采過程中，兩巷變形嚴重，因此需要對工作面回采過程中礦壓顯現規律進行研究，保證工作面的正常推進。

2 工作面礦壓顯現規律的理論分析

2.1 工作面初次來壓步距分析

通過采用彈性力學理論，把關鍵層初次破斷前的結構簡化為固支梁模型進行分析。

圖1 固支梁應力模型

由固支梁受力特征及其邊界條件可求出其各應力分量表達式如下：

根據對稱性可知梁的(0，h/2)處剪應力為零，其橫向截面上的正應力即為橫向主應力σ，在(0，h/2)處拉應力σ達到最大值，即：

由此可以判斷出，當簡化后模型放生初次破斷時，其應力應達到極限值σ1max，及巖梁破斷時其跨距及初次來壓的距離Ls滿足下式。

式中：Ls為基本頂初次來壓步距，m；h為基本頂厚度，取7.34 m；n為巖梁發生破斷垮落時的安全系數，取1.5；q為基本頂所受載荷，取0.578 MPa；σ為基本頂抗拉強度，取3.26 MPa。

結合礦山地質結構，將數據帶入初次來壓步距求得基本頂的初次來壓步距Ls為27.7 m。

2.2 工作面周期來壓步距分析

在頂板關鍵層初次破斷垮落后，隨著回采工作面的推進，開采空間不斷增加，頂板巖層不斷經歷“離層—垮落—離層”的過程，即周期來壓。簡化后的頂板巖梁模型一端固支、另一端懸空的狀態，因偽頂與直接頂相對較薄，其垮落后破碎的巖石未能接觸到采空區基本頂，構成了類似懸臂梁的結構。

圖2 懸臂梁應力模型

根據現有科研人員對懸臂梁的研究，對簡化后應力模型進行分析可知其應力方程為：

平面坐標的原點取在梁第二次斷裂的截面中心，即第二次斷裂截面上x=0，則梁第二次拉斷的極限安全跨距滿足：

根據工作面回采過程中，頂板巖塊與采空區中的矸石一般沒有水平力的存在，即T=0，則基本頂周期來壓步距計算公式可簡化為：

式中：l為基本頂周期來壓步距，m；h為基本頂厚度，取7.34 m；q為基本頂所受載荷，取0.578 MPa；σ為基本頂抗拉強度，取3.26 MPa；將數據帶入上式求得基本頂的周期來壓步距為10.17 m。

根據理論計算可以得出，工作面初次來壓步距為27.7 m，周期來壓步距為10.17 m。

3 工作面礦壓顯現規律監測與分析

為保證礦壓觀測數據的準確性，在1303(上)綜采工作面共鋪設3個測區，每個測區分別對四架液壓支架進行壓力測試，監測礦壓的支架分別為1號、9號、19號、29號、39號、49號、59號、69號、79號、89號、99號和109號支架。

根據統計液壓支架阻力隨推進距離變化及支架工作阻力均值和來壓判據的計算可繪制出圖3～圖5。

圖3 上部測站1號支架工作阻力隨工作面推進距離的變化曲線

圖4 中部測站29號支架工作阻力隨工作面推進距離的變化曲線

圖5 下部測站89號支架工作阻力隨工作面推進距離的變化曲線

頂板來壓的判斷依據主要是通過比對支架的實測循環阻力與各循環阻力平均值以及其標準差之和的大小來判斷，即：當支架阻力大于等于循環阻力平均值和循環阻力的均方差之和時，頂板發生周期來壓。

各個測點支架循環阻力平均值為P0，循環阻力平均值的均方差為σ，根據下列公式計算可得：

式中：σ為循環阻力平均值的均方差，MPa；n為實測循環個數；Pi為各循環的實測循環阻力，MPa；P0為循環阻力的平均值，MPa。

根據上式可計算出每個支架的均方差以及來壓判據指標，見表1。

工作面來壓強度采用動載系數K來標識，其值由下式計算：

式中：Pz為支架在周期來壓期間的平均工作阻力，MPa；Pf為支架在非周期來壓期間的平均工作阻力，MPa。

根據圖3～圖5以及表1的數據處理可知，工作面基本頂的初次來壓步距為22.5～28.8 m，周期來壓步距為6.2～14.4 m，與理論計算結果相吻合?；夭善陂g上部測站各支架平均工作阻力在16.43～25.96 MPa之間，中部測站平均工作阻力在23.3～26.19 MPa之間，上部測區各測點支架平均工作阻力在24.26～26.8 MPa之間。由此可見，整個回采期過程中液壓支架工作阻力中下部略大于其上部。當來壓期間上部支架平均工作阻力在22.64～36.65 MPa之間，中部支架來壓期間支架平均工作阻力在26.17～37.28 MPa之間，下部支架來壓期間支架平均工作阻力為來壓期間支架平均工作阻力在27.63～34.62 MPa之間，由此可知，來壓期間下部及中部支架工作阻力明顯增大且大于上部支架工作阻力。

表1 各支架來壓判據計算

表2 工作面開采期間動載系數統計

根據表2工作面開采期間動載系數統計可知，上部測站來壓動載系數波動幅度較大，在1.71～2.78之間，平均為2.18，說明工作面上部測區來壓強度較大，但來壓期間支架安全閥打開較少，說明工作面下部測區支架總體都在正常工作阻力范圍之內工作；中部測站來壓動載系數波動幅度較小，在1.67～2.10之間，最大為2.10，說明工作面中部測區局部來壓強度較大，來壓期間少量支架安全閥打開，所占比例達到3.15%，工作面回采期間應提高支架初撐力和加強頂板的管理；下部測站動載系數在1.51～1.81之間，平均為1.71，動載系數較小，說明工作面下部測區來壓強度比較小，工作面下部測區支架總體都在正常工作阻力范圍之內工作。

4 結 語

1) 通過采用彈性力學理論把關鍵層初次破斷前的結構簡化為固支梁模型，周期來壓時巖梁結構簡化為懸臂梁結構進行分析計算得出其初次來壓步距為27.7 m，周期來壓步距為10.17 m。

2) 通過對液壓之間1303(上)綜采工作面布置三個測站對液壓支架進行礦壓監測，對收集的數據進行實際初步來壓和周期來壓進行計算可得與理論計算結果相吻合。通過計算動載系數可知工作面上部和中部測區來壓強度較大，下部測區來壓強度較大。