韓家洼礦堅硬頂板綜放工作面礦壓監測結果與分析

徐長久

(山煤國際能源集團股份有限公司 煤業分公司，山西 太原 030006)

綜合機械化放頂煤開采方法促進了特厚煤層堅硬頂板工作面的快速高效生產，但同時也造成特厚煤層綜放工作面的強礦壓顯現情況，將會產生采空區懸頂面積大、難以垮落等情況，一旦大面積的采空區懸頂垮落又會造成工作面大面積來壓，可能導致液壓支架壓死、工作面颶風等礦壓危害，造成難以挽回的生命財產損失。因此，必須加強對特厚煤層堅硬頂板綜放工作面礦壓監測，掌握工作面礦壓顯現規律，為該類礦井實現安全高效生產提供理論依據。

1 工作面概況

韓家洼礦是山煤國際股份公司控股的煤礦公司，位于山西省大同市左云縣縣城西南36 km處的小京莊鄉一帶，井田面積4.505 6 km2，產能90萬t/a，保有儲量8 761萬t，可采儲量4 555萬t，服務年限34 a。礦井采用斜井開拓方式，共布置有4個井筒。可采煤層4層，分別為山4-2號、19號、22號、25號，平均煤厚分別為1.37 m、2.02 m、11.78 m、3.07 m。目前正在開采22號煤層，屬低瓦斯礦井，水文地質屬中等類型。

22203綜放工作面開采22號層煤，煤厚10.3～12.7 m，平均11.5 m，傾角范圍2～8°，平均埋藏深度200 m。工作面掘進期間揭露15條正斷層，其中3 m以上的7條，3 m以下的8條。22號煤層之上為1層平均厚度1.10 m的泥巖偽頂，直接頂為平均厚度3.00 m的砂質泥巖，老頂為平均厚度30 m的細砂巖。根據22號煤層其他工作面以往開采情況，頂板的整體性和穩定性好，細砂巖的抗拉強度為5.20 MPa，剪切模量為19.09 GPa，屬于堅硬頂板。

22203綜放工作面為兩巷布置方式，其中運輸巷兼具進風功能，回風巷兼具軌道運料功能。采用單一走向長壁后退式低位放頂煤開采的采煤方法，推進方向為由北向南沿煤層底板，全部垮落法管理頂板。割煤高度3.0 m，放頂煤高度8.5 m，采放比1∶2.83。采走向長742 m，傾斜長150 m，運輸巷、回風巷尺寸分別為4.5 m×3.8 m、4.0 m×3.8 m。

2 礦壓監測方案

在22203綜放工作面液壓支架上安裝21部GPD60型壓力傳感器，工作面兩端各安裝1部，中間每5架為一組均勻布置19部。數據傳輸到KJ515型壓力監測分站，壓力監測分站再通過線路將數據傳輸到地面服務器，每天24 h連續記錄支架壓力變化情況。測區布置及儀器布設如圖1所示。

圖1 22203綜放工作面礦壓監測測及儀器布設示意

3 礦壓顯現規律研究

3.1 工作面來壓判斷

從22203工作面開始回采進行礦壓觀測，共回采207 m，發生礦壓顯現14次，初次來壓于2020年11月3日前后發生。周期來壓可以依據支架工作阻力進行判斷，其均方差可由公式(1)進行計算：

(1)

(2)

工作面頂板來壓判斷依據可由公式(3)確定：

(3)

式中：P'為支架循環工作阻力的實測數據，kN。

工作面礦壓顯現劇烈程度可由支架動載系數具體體現，支架動載系數可由公式(4)進行計算：

(4)

式中：Pz為工作面周期來壓時支架工作阻力平均值，kN；Pf為工作面周期來壓時支架工作阻力平均值，kN。

由于所有21個支架礦壓數據過于龐大，選擇工作面上、中、下這三個部位中各3個支架，即10號、20號、30號、40號、50號、60號、70號、80號、90號共9個支架作為典型進行研究。工作面各個支架來壓判據依據如表1所示。

表1 工作面各支架來壓判斷依據統計情況

3.2 工作面來壓數據

根據上述工作面各個支架來壓判據依據，頂板來壓步距統計情況如表2所示。

表2 工作面頂板來壓步距統計情況

工作面各個支架工作阻力統計情況如表3所示。

表3 工作面支架工作阻力統計情況

工作面周期來壓期間各個支架動載系數統計情況如表4所示。

支架初撐力統計情況如表5所示。

表5 支架初撐力統計

3.3 工作面來壓數據分析

對表2～表5的礦壓監測數據進行分析可知：22203綜放工作面老頂初次來壓步距42 m，周期來壓步距范圍16～26 m，平均值21 m。在工作面回采過程當中，支架工作阻力平均值4 174 kN；在周期來壓過程當中，支架工作阻力平均值4 682 kN，其最大工作面阻力5 523 kN。老頂初次來壓、周期來壓過程當中，支架動載系數的平均值分別為1.47、1.32，工作面礦壓顯現程度較為劇烈。30號與50號的支架初撐力分別為5 127 kN和4 970 kN，分別為額定初撐力5 232 kN的98%和95%，工作面初撐力利用率較高。對照煤礦頂板分類指標，該工作面頂板屬堅硬頂板范疇。與此同時，工作面中部部位的支架工作面阻力、動載系數一定程度上都比工作面其他部位高，為工作面礦壓顯現程度最為劇烈區域，但該部位的支架工作阻力一直都小于支架的額度工作阻力6 000 kN，因此該支架的選型符合現場生產要求。

4 結 語

1) 工作面各測區老頂初次來壓和周期來壓步距的平均值分別為42 m、21 m，各測區周期來壓步距范圍為16～26 m，盡管工作面不同位置的來壓步距和次數均有所差異，但其數值波動范圍不大。根據上述22203綜放工作面頂板來壓步距統計情況，對照煤礦頂板分類指標，該工作面頂板屬堅硬頂板范疇；

2) 30號與50號的支架初撐力分別為5 127 kN和4 970 kN，分別為額定初撐力5 232 kN的98%和95%，工作面初撐力利用率較高；

3) 老頂初次來壓、周期來壓過程當中，支架壓動載系數的平均值分別為1.47、1.32，工作面中部部位的支架工作面阻力、動載系數一定程度上比工作面其他部位要高，為工作面礦壓顯現程度最為劇烈區域；

4) 針對韓家洼煤礦特厚煤層堅硬頂板條件下綜放工作面的礦壓顯現情況，應當采取深孔預裂爆破等方式來弱化堅硬頂板，以縮短來壓步距、保證頂板及時垮落，從而確保綜放工作面安全高效回采。