大采高綜采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實(shí)測(cè)研究

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)正新煤焦公司和善煤礦 山西 046500）

1.引言

經(jīng)過我國多年的發(fā)展和完善，高海拔綜采已經(jīng)取得了積極的成果。根據(jù)成功生產(chǎn)高度綜采井的實(shí)際情況，可以看出，高海拔綜采對(duì)提高井底開采速度，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要作用。減少工作面的粉塵并提高工作面的速度。然而，隨著礦井高度的增加，高礦井高度對(duì)工作間隙的壓力，高礦井高度對(duì)煤壁的控制以及上覆煤層的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出新的特征。在一個(gè)真實(shí)的項(xiàng)目中，對(duì)高開采高度的綜采工作面的地下壓力表現(xiàn)形式進(jìn)行觀察，分析和概括，以及明確煤層特定地質(zhì)條件下的內(nèi)部形態(tài)，將有助于確保安全性。

2.室內(nèi)相似模擬試驗(yàn)研究

(1)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)及測(cè)試系統(tǒng)

根據(jù)杭來灣煤礦的開采條件，在平面物理模型框架上進(jìn)行了測(cè)試，同一物理模型的長度，寬度和高度分別為3.0m、0.2m和1.33m。物理模型的幾何相似常數(shù)為CL=100，堆積密度相似常數(shù)Cγ=1.6，重力加速度相似常數(shù)Cg=1，位移相似常數(shù)CS=100，彈性模量相似常數(shù)CE=160。實(shí)驗(yàn)中使用的類似材料是河砂，水泥。該模型使用分層堆疊方法，并且針對(duì)每個(gè)巖石層選擇云母片作為分層節(jié)理。干燥后，通過添加鐵磚安裝模型，并在模型的上表面施加15.5MPa的均勻載荷。在測(cè)試模型的表面上共有84個(gè)光學(xué)全站儀測(cè)量點(diǎn)，以測(cè)量模型位移。在該型號(hào)的關(guān)鍵級(jí)別上安裝了11個(gè)百分表，以檢查沉降。將CL-YB-114壓力施加到煤層上以檢查壓力值，用于測(cè)試工作面上的支撐。測(cè)試模型的底部、百分表、全站儀測(cè)量點(diǎn)和壓力傳感器的位置如圖1所示。

圖1 模型測(cè)試系統(tǒng)布置

(2)試驗(yàn)過程

在模型右側(cè)距支架邊緣40cm處鉆出一個(gè)切口，以減少邊緣效應(yīng)對(duì)測(cè)試的影響。切口的高度和寬度分別為50cm和80cm，完成切口后，擰緊模型支架。將角墻沿前進(jìn)方向放置在切口中，預(yù)設(shè)插入力為5189kN。然后將工作面向前移動(dòng)4cm/步，挖掘高度為5cm。在測(cè)試中總共進(jìn)行了53次挖掘，工作面長度為212m。

(3)工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

①支撐載荷的阻力系數(shù)和工作表面的動(dòng)力學(xué)可以從測(cè)試模型上的支撐載荷中獲得。支架的最小操作電阻力為5060kN，最大操作電阻力為10850kN，平均操作電阻力為6014kN。

②當(dāng)支撐工作阻力超過其加權(quán)平均工作阻力時(shí)，這就是最高壓力。在測(cè)試期間，當(dāng)工作間隙移動(dòng)60m時(shí)會(huì)出現(xiàn)第一個(gè)壓力，工作間隙經(jīng)歷了9個(gè)壓力循環(huán)，并且循環(huán)壓力是逐步的，12m-20m，平均周期為15.56m。

③支架的動(dòng)態(tài)載荷系數(shù)與行進(jìn)距離之間的關(guān)系如圖2所示。處于壓縮狀態(tài)的支架的動(dòng)態(tài)載荷系數(shù)＞1.4。在第一周期的壓縮中，支架的動(dòng)態(tài)載荷系數(shù)最小，為1.47。在第三周期的壓縮中，支架的動(dòng)態(tài)載荷系數(shù)最高，為1.98。當(dāng)上覆地層的兩個(gè)關(guān)鍵層同時(shí)倒塌時(shí)，支撐的動(dòng)態(tài)載荷系數(shù)最高。由于第一關(guān)鍵層和第二關(guān)鍵層的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，支座的動(dòng)態(tài)載荷系數(shù)趨于變化：大→小→大→小。

圖2 來壓時(shí)支架動(dòng)載系數(shù)與推進(jìn)距離關(guān)系

④在試驗(yàn)中，在第三至第八個(gè)周期中出現(xiàn)了大、小周期的明顯交替，上覆層的遷移特征如表1所示。

表1 大小周期來壓上覆巖層運(yùn)移特征

當(dāng)工作面移動(dòng)104m時(shí)，出現(xiàn)第三次循環(huán)的壓力，這是該次循環(huán)的較高壓力。這時(shí)，第一關(guān)鍵層被定期破壞，同時(shí)，第二關(guān)鍵層被第一次破壞，第二關(guān)鍵層的上覆載荷層被部分破壞。塌方巖層的高度為83m，未破碎巖層的懸垂長度為35m，自由空間為1.5m。上覆層清晰地分為三個(gè)區(qū)域，塌陷區(qū)的高度為16m，壓裂帶高度為57m，下沉撓度帶高度為9m，煤壁崩落角為68°，工作時(shí)崩落角為63°。

3.工作面礦壓觀測(cè)及結(jié)果分析

(1)礦壓觀測(cè)方案設(shè)計(jì)

在觀察過程中，在工作面長度的中間安裝了一條測(cè)量線，僅安裝了3組支架，即70#，71#和72#支架。距機(jī)器頭部30m的下部和3個(gè)觀察支架，即19#，20#和21#。在支架尾部30m的工作面上部，有3個(gè)觀察支架，分別是121#，122#和123#。

為了能準(zhǔn)確地捕捉到工作面的初次來壓和周期來壓，對(duì)于正常開采時(shí)期（即初次來壓前、初壓與第一次周壓期間以及周壓與周壓之間）的采樣周期可以確定為1次/d，而對(duì)于所有的初次來壓期間和需要觀測(cè)的4次周期來壓期間，其采樣周期可以確定為30min/次，維持時(shí)間應(yīng)為來壓開始直至來壓結(jié)束，一般為1d～2d。

(2)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究分析

在工作面的開發(fā)過程中，支撐阻力不斷變化，其技術(shù)特點(diǎn)是每個(gè)支撐的阻力或分布范圍，位置以及縱向最大壓力值的增減工作面是動(dòng)態(tài)的。當(dāng)延伸到41.74m的高度時(shí)，可以聽到屋頂?shù)钠屏崖暋３^30MPa的支撐件數(shù)量從展開時(shí)起即達(dá)到最大值（25以上），開始破壞巖層，這是工作面上的第一個(gè)壓力的開始。由于工作面控制系統(tǒng)的累積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)未考慮缺口眼的寬度，并且缺口眼的寬度為8.5m，因此初始?jí)毫﹄A躍的初始值為50.24m。第一次按壓時(shí)，51101工作面的平均進(jìn)給距離為49.94m。加上凹槽的寬度為57.44m。

根據(jù)支撐工作面大于30MPa時(shí)機(jī)架數(shù)量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，繪制時(shí)間與機(jī)架數(shù)量（＞30MPa）的關(guān)系。

(3)工作面周期來壓規(guī)律的觀測(cè)分析

施加初始?jí)毫螅^察液壓工作面的支撐阻力和巖壓的工作面的外觀，并在施加壓力5時(shí)對(duì)工作面線進(jìn)行5次測(cè)量，收集到的支撐載荷觀測(cè)數(shù)據(jù)在周期中施加壓力時(shí)，觀察時(shí)間為30分鐘60分鐘。在比較工作面5條測(cè)量線數(shù)據(jù)的結(jié)果的基礎(chǔ)上，給出了工作面5個(gè)壓力循環(huán)的基本情況，如表2所示。

表2 51101工作面周期來壓的統(tǒng)計(jì)分析表（單位：m）

由表可知，51101工作面的頂板周期來壓有如下特點(diǎn)：

①工作面中部的壓力相對(duì)均勻，壓力級(jí)之間的距離相對(duì)穩(wěn)定，但是頭尾測(cè)量線（尤其是尾部測(cè)量線）受出口邊界和階段影響變化很大，并且壓力步距之間的距離變小。一般而言，在兩個(gè)安全出口的附近的頂板受到支撐壓力的疊加的影響，雖然壓力頻繁，但是臺(tái)階之間的距離變短。后部V線的平均壓力跨距僅為13.3m。

②在工作表面中間的三個(gè)測(cè)量線（II，III，IV）的支撐載荷的變化可以客觀地反映屋頂上周期性壓力的動(dòng)態(tài)變化。這三個(gè)測(cè)量線的周期性壓力階躍的平均值為20.6m，沿著5條大地測(cè)量線的步距的總平均值為19.32m。

4.總結(jié)

由于工作表面的長度較大，頂板壓力的位置和載荷范圍的增加表現(xiàn)出更大的隨機(jī)性，在工作壓力期間，支撐物在整個(gè)工作表面上的載荷相對(duì)較高。壓力在工作面縱向上的分布如下：頂板壓力最高，支撐載荷最高；中部巖體壓力最高。中間附近的上部區(qū)域上方的巖石中壓力大。中間附近的下部和上部區(qū)域在上方的巖石中壓力大，支撐負(fù)荷略小于平均值；當(dāng)機(jī)器的頭部和尾部處于該區(qū)域時(shí)，壓力似乎是最弱的，而支撐載荷似乎是最低的。因此，我們必須繼續(xù)研究工作面中的壓力的強(qiáng)度特性，為合理確定支撐框架的阻力類型和支撐方式提供基礎(chǔ)。