石拉烏素煤礦深部大采高綜采工作面礦壓規(guī)律研究

秦立堂，顧穎詩，吳 震

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)南煤炭科技研究院分公司，山東 濟(jì)南 250000；2.內(nèi)蒙古昊盛煤業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引 言

石拉烏素煤礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市境內(nèi)呼吉爾特礦區(qū)，礦區(qū)正處于開發(fā)建設(shè)階段，附近相鄰礦井中可借鑒的開采經(jīng)驗(yàn)較少。該礦井開采煤層埋藏深、地壓大，煤層為“軟-硬-軟”的復(fù)合煤層，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，煤層巷道掘進(jìn)過程中出現(xiàn)了煤層彈射的動力現(xiàn)象。工作面回采過程中采用大采高綜采工藝，該項(xiàng)采煤方法可實(shí)現(xiàn)對煤層一次采全高，具有煤炭采出率高、巷道掘進(jìn)量少、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]。由于煤層開采厚度較大，將導(dǎo)致煤層上覆巖層斷裂以及運(yùn)動的空間和幅度加大，容易造成工作面的礦壓顯現(xiàn)較為劇烈[2-3]。因此通過對該地質(zhì)條件和開采工藝條件下的采煤工作面回采期間進(jìn)行針對性的礦壓觀測，不僅能夠系統(tǒng)的掌握工作面的礦壓規(guī)律，更有助于礦井沖擊地壓的防治和實(shí)現(xiàn)礦井后續(xù)工作面的安全開采[4-7]。

1 礦井及工作面概況

石拉烏素煤礦采用立井開拓，首采煤層為2-2上、2-2 中煤層，2-2 中煤層是2-2 上煤層的下分叉煤層。2-2 上煤層平均厚度5.43 m，煤層埋藏深度589～729 m，平均埋藏深度655.73 m，2-2 中煤層平均厚度3.91 m，埋藏深度638～751 m，平均埋藏深度669 m。

礦井劃分為2 個采區(qū)，分別為221 和222 采區(qū)，221上01 工作面位于221 采區(qū)北翼，西側(cè)為221上17采空區(qū)，東側(cè)為221上03 工作面（設(shè)計(jì)），南臨大巷保護(hù)煤柱，工作面平均開采深度685 m，工作面面寬330 m，面長2 335 m，見圖1，工作面采用走向長壁綜采采煤方法，一次采全高后退式回采，全部垮落法管理頂板。

圖1 綜采工作面平面圖

221上01 工作面開采煤層為2-2 上煤層，該煤層起伏變化較小，煤層傾角0°～4°，平均2°，厚度4.39～5.85 m，平均5.13 m；在煤層頂板向下1.0～2.8 m 處揭露一層軟煤，厚1.0～1.3 m，平均1.0 m，破碎易冒落。煤層局部含一層夾矸，夾矸厚度0°～0.30 m，平均0.15 m，夾矸巖性為泥巖或砂質(zhì)泥巖（見圖 2）。

煤層頂板頂?shù)装鍘r性參數(shù)見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍏?shù)表

2 礦壓監(jiān)測方案

為研究工作面回采期間的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，需從工作面和兩順槽內(nèi)進(jìn)行礦壓數(shù)據(jù)收集分析。工作面內(nèi)主要收集分析液壓支架支護(hù)阻力情況、工作面架后頂板冒落及煤壁片幫情況，用于分析工作面支護(hù)狀況、來壓強(qiáng)度和步距；兩順槽內(nèi)主要收集巷道圍巖變形和煤體內(nèi)鉆孔應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù)，用于分析開采過程中巷道支護(hù)情況和超前支承壓力影響范圍。

2.1 工作面內(nèi)礦壓觀測方案

1）采用支架電液控制實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)采集工作面液壓支架支護(hù)阻力。分別選取工作面中上部、中部、中下部各5 組支架收集支架壓力數(shù)據(jù)。

2）工作面礦壓統(tǒng)計(jì)觀測內(nèi)容包括：采空區(qū)頂板冒落狀況、煤壁片幫深度、端面距及頂板完整狀況、安全閥開啟等。工作面礦壓統(tǒng)計(jì)觀測每天1 次。

通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)觀測統(tǒng)計(jì)、整理，結(jié)合支架壓力變化規(guī)律，綜合分析得出工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，評價支架的支護(hù)效果，指導(dǎo)工作面頂板管理。

2.2 工作面順槽礦壓觀測

1）工作面兩順槽圍巖變形觀測。在工作面兩順槽超前工作面切眼100 m 設(shè)置6 組圍巖變形測站，間距20 m，每個測站設(shè)置1 個觀測剖面，采用“十字”觀測法，分別觀測頂?shù)装迮c兩幫變形量，分析受采動影響兩順槽圍巖變形規(guī)律。圍巖變形測站布置示意圖見圖2。

圖2 鉆孔應(yīng)力計(jì)與圍巖變形測站示意圖

2）工作面超前支承壓力觀測。在工作面兩順槽利用布設(shè)應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)，收集鉆孔應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析工作面采動形成的超前支承壓力分布規(guī)律。

3 礦山壓力分布規(guī)律

3.1 工作面支架工作阻力

工作面由切眼向前推進(jìn)，后方采空區(qū)逐漸形成，并且面積逐漸增大，煤層頂板受上覆巖層應(yīng)力，自下而上出現(xiàn)彎曲離層最終發(fā)生斷裂，巖層的斷裂與運(yùn)動將對工作面產(chǎn)生動壓影響，由于巖層運(yùn)動對工作面產(chǎn)生的壓力不同造成工作面支架的受力不同，通過對工作面回采0~100 m 期間支架的工作阻力數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與分析可知：

1） 工作面回采期間的初撐力平均值為26.1 MPa，支架設(shè)計(jì)初撐力為31.5 MPa，占支架額定初撐力的82.8%，說明工作面支架整體支撐力較高。由于支架提供了良好的初撐力作用，開采期間頂板得到較好控制，直接頂沒有過早離層，尤其是工作面來壓期間煤壁前方未出現(xiàn)頂板破碎甚至漏頂現(xiàn)象。

2）工作面推進(jìn)過程中液壓支架循環(huán)末阻力為24~38.1 MPa 之間如圖3 所示，支架的額定工作面阻力為45 MPa，回采過程中未出現(xiàn)超過工作阻力的現(xiàn)象。對工作面周期來壓前后循環(huán)末阻力進(jìn)行分析，當(dāng)工作面來壓之前工作支架循環(huán)末阻力平均28 MPa，來壓時循環(huán)末阻力平均34.5 MPa，周期來壓最大動載系數(shù)為1.23。

圖3 支架載荷隨工作面推進(jìn)變化情況

3.2 工作面礦壓規(guī)律

1）通過對工作面后方采空區(qū)頂板垮落情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，工作面直接頂初次垮落步距為14.7 m。工作面直接頂初次垮落以后，采空區(qū)頂板能夠及時垮落。

2）隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，老頂懸頂距離逐漸增大，當(dāng)工作面回風(fēng)順槽推進(jìn)28.7 m、膠帶順槽推進(jìn)38.1 m，工作面平均33.4 m 時，工作面礦壓顯現(xiàn)較平時有所增大，主要表現(xiàn)在支架支護(hù)阻力升高、煤壁片幫深度增大，頂板淋水明顯增加，支架工作阻力增大，少部分安全閥開啟。結(jié)合微震系統(tǒng)分析，當(dāng)工作面累計(jì)推進(jìn)至30.85 m 時，工作面微震事件次數(shù)及能量開始升高；工作面累計(jì)推進(jìn)至40 m 時，工作面后方采空區(qū)發(fā)生1 次1.15×104 J 的微震事件，推測該次大的微震事件由基本頂初次斷裂造成。因此確定工作面的基本頂初次來壓步距為33.4 m。

3）工作面由切眼推進(jìn)至100 m 期間，先后分析觀測到4 次周期來壓（見表2），周期來壓步距最大24.58 m，平均19.2 m，動載系數(shù)最大1.23。工作面的礦壓規(guī)律見表2：

表2 老頂來壓步距及強(qiáng)度表

3.3 兩巷超前支承壓力影響

1）巷道圍巖變形情況。通過對兩巷進(jìn)行圍巖變形觀測，數(shù)據(jù)整理后的圍巖變形曲線如圖4、圖5 所示，數(shù)據(jù)分析得到工作面的超前影響范圍為40 m 左右，超前支承應(yīng)力峰值區(qū)在15 m 左右，頂?shù)装遄畲笠平俣?9 mm/d，累計(jì)移近量最大值為154 mm，兩幫最大移近速度24 mm/d，累計(jì)移近量最大值為158 mm。

圖4 回風(fēng)順槽圍巖變形曲線

圖5 膠帶順槽圍巖變形曲線

2）工作面超前應(yīng)力分布。在工作面前方巷道內(nèi)布設(shè)的鉆孔應(yīng)力計(jì)，應(yīng)力計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)可反映煤體內(nèi)的應(yīng)力變化情況，其中工作面前方應(yīng)力值變化曲線如圖6 所示，分析整理后得到煤體內(nèi)部應(yīng)力值在超前工作面煤壁25~30 m 處開始上升，距工作面8~10 m 到達(dá)最大值后逐漸下降。應(yīng)力值最大增速為0.6 MPa/d，累計(jì)最大增量為5 MPa。

圖6 工作面前方煤體內(nèi)應(yīng)力值變化曲線

通過分析兩巷道的圍巖變形規(guī)律和煤體內(nèi)應(yīng)力變化情況，表明工作面開采過程中，超前支承壓力影響范圍在30~40 m，其中距離工作面10~20 m 為超前應(yīng)力影響峰值區(qū)，該區(qū)域煤體受力明顯增大，圍巖變形速度和變形量顯著增加。

4 結(jié) 論

1）回采期間支架載荷在24~38.1 MPa 之間，在支架的額定工作阻力范圍內(nèi)，由于切眼內(nèi)提前對頂板采取斷頂措施，基本頂初次來壓現(xiàn)象不強(qiáng)烈，初次來壓動載系數(shù)為1.23，工作周期來壓步距平均19.2 m，動載系數(shù)最大1.21，動載系數(shù)較小，未出現(xiàn)劇烈的來壓現(xiàn)象。

2）礦壓觀測期間工作面兩側(cè)均為實(shí)體煤，工作面超前支承壓力的影響范圍為30~40 m，巷道圍巖變形量不大，表明巷道支護(hù)強(qiáng)度滿足回采要求。

3）工作面開采期間，周邊區(qū)域形成采空區(qū)面積較小，開采區(qū)域未充分采動，受周邊采空區(qū)影響較小，礦壓顯現(xiàn)不強(qiáng)烈，隨采空區(qū)面積不斷加大，應(yīng)加強(qiáng)礦壓監(jiān)測，及時優(yōu)化巷道超前支護(hù)距離和工作面開采強(qiáng)度。