榆樹坡礦5105綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律探索

程德中

（山西寧武榆樹坡煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

當(dāng)前，我國厚煤層，尤其是特厚煤層的開采方式仍然以綜合機(jī)械化放頂煤開采方法 （以下簡稱綜放開采）為主［1-3］。由于一次采出煤量較大，使得工作面采場空間達(dá)到普通綜采的數(shù)倍以上，而礦壓顯現(xiàn)規(guī)律也愈加復(fù)雜化，這給礦井正常生產(chǎn)帶來一定影響［4］。因此，了解并掌握綜放工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律，并據(jù)此指導(dǎo)工作面支護(hù)設(shè)計及管理，對于工作面的安全高效生產(chǎn)具有重要意義［5-6］。本文以榆樹坡礦5105綜放工作面為研究背景，通過對工作面回采期間支架工作阻力及工作面超前支承壓力進(jìn)行監(jiān)測，得到了工作面初次來壓步距、周期來壓步距及來壓強(qiáng)度，同時根據(jù)煤壁前方支承壓力分布特征，得到了工作面超前支護(hù)設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。

1 工程背景

榆樹坡礦位于山西省忻州市寧武縣東北方向約2 km處，井田面積為15.024 7 km2，設(shè)計生產(chǎn)能力為1.20 Mt/a。5105 工作面位于5#煤層一采區(qū)，煤層結(jié)構(gòu)較為簡單，含4 層碳質(zhì)泥巖夾矸。工作面東部為還未掘進(jìn)的5107 工作面，西部為鐵路保護(hù)煤柱，南部為1214 回風(fēng)大巷，北部是未開采實體煤。工作面上覆2#煤層1201 采空區(qū)。工作面直接頂為泥巖，平均厚度為22.65 m，巖性特征為黑色、脆而硬，含有燧石結(jié)核和黃鐵礦；直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度為2.6 m，巖性特征為黑色，薄層狀，含植物化石，老底為細(xì)砂巖，平均厚度為8.46 m，淺灰白色細(xì)砂巖，含黃鐵礦成份以石英為主。

5105綜放工作面標(biāo)高+968～+1 125 m，對應(yīng)地表標(biāo)高+1 370～+1 456 m，工作面走向長度1 406 m，傾斜長度177 m，煤層厚度13.25～13.70 m，平均13.50 m，傾角5°～25°，平均15°，采高為3.8 m，放煤高度為9.7 m，采放比為1∶2.55。工作面共布置ZFY13000/24/40D型放煤支架110架，ZFG13000/27.5/42D 型過渡支架 7 架，ZTZ20000/27.5/42 型進(jìn)風(fēng)端頭支架1 架，ZFG1 3000/27.5/42 型回風(fēng)端頭支架1 架。

2 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

為監(jiān)測5105綜放工作面支架工作阻力，在工作面編號為1#，11#，21#…101#，110#的液壓支架上共布置12 個礦壓監(jiān)測站，監(jiān)測儀器采用YHY60（B）礦用本安型數(shù)字壓力計，對工作面頂板壓力進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，工作面測站具體布置見圖1。

圖1 5105 工作面測站布置

監(jiān)測期間，5105 工作面推進(jìn)距離為100 m，累計推進(jìn)125 個作業(yè)循環(huán)。分別取工作面3#、7#、11#測站（21#、61#、101#支架）對應(yīng)支架循環(huán)工作阻力曲線進(jìn)行分析，見圖2，據(jù)此可以得到5105 工作面初次及周期來壓步距和來壓強(qiáng)度。

圖2 不同位置處支架工作阻力曲線

式中：Pti為液壓支架每一工作循環(huán)的末循環(huán)工作阻力，MPa，n為循環(huán)數(shù)。

頂板來壓強(qiáng)度通過動載系數(shù)K來表示，其計算方法見公式（4）。

式中：Pz為來壓階段支架工作阻力平均值，MPa；Pf為非來壓階段支架工作阻力平均值，MPa。

由圖2 可知，工作面頂板初次來壓位置約為開切眼向前方推進(jìn)22.5～28.8 m 處，此后，工作面不斷推進(jìn)，頂板每隔7.6～14.1 m發(fā)生一次周期性的破斷。非來壓期間，工作面上部支架工作阻力處于16.8～25.5 MPa之間，中部處于23.7～26.8 MPa之間，下部處于24.5～26.5 MPa之間。來壓期間，工作面上部支架工作阻力在22.7～36.8 MPa之間，中部在26.2～38.1 MPa之間，下部則在27.8～34.5 MPa之間，總體而言，5105 綜放面中下部支架頂板壓力大于工作面上部，因此，工作面回采期間應(yīng)更加注重中下部支架的管理。

表1 為工作面回采期間支架動載系數(shù)。由表1可知，工作面開采過程中，上部支架動載系數(shù)波動范圍較大，約在1.59～2.56 之間，中部及下部波動范圍較小，分別在1.66～1.92、1.53～1.85 范圍之間。這說明工作面上部區(qū)域頂板壓力較為劇烈，而中下部頂板壓力較為緩和。從工作面液壓支架安全閥開啟情況來看，工作面中部及下部液壓支架安全閥開啟率較低，分別為2.1%及1.9%，而工作面上部液壓支架安全閥開啟率高達(dá)12.4%。這說明工作面上部支架管理狀況較差，應(yīng)適當(dāng)提高支架初撐力以加強(qiáng)對工作面頂板的管理。

表1 工作面回采期間支架動載系數(shù)

3 工作面超前支承壓力影響范圍

掌握工作面支承壓力分布情況對于指導(dǎo)工作面運輸及回風(fēng)巷的超前支護(hù)設(shè)計具有重要作用。因此，在5105 工作面前方150 m位置處由回風(fēng)巷道煤壁向工作面內(nèi)打設(shè)3 個鉆孔，鉆孔距離巷道底板1.2 m，孔徑為42 mm，間距為2 m，深度分別為15 m、12 m、9 m，見圖3。并在鉆孔內(nèi)安裝鉆孔應(yīng)力計以監(jiān)測回采期間煤壁前方支承壓力變化情況，鉆孔應(yīng)力計初始設(shè)定壓力值為4 MPa。

圖3 鉆孔布置情況

工作面回采過程中不同測點支承壓力演化曲線見圖4。由圖4 可知，3 個測點處的支承壓力均在距離工作面約60～40 m處時開始逐漸增加，但增長幅度較小。當(dāng)測點與工作面距離小于40 m時，測點處煤體支承壓力開始迅速增加，這表明工作面支承壓力影響區(qū)大約位于煤壁前方40 m范圍內(nèi)，隨工作面不斷推進(jìn)，當(dāng)測點距煤壁距離在40～22 m時，支承壓力增加幅度越來越大，應(yīng)力集中系數(shù)由1.65～1.97 迅速增加到4.02～4.10，并在工作面前方22 m處達(dá)到峰值，約為7.1～7.9 MPa，隨后，支承壓力逐漸降低。

圖4 工作面前方不同測點支承壓力演化曲線

4 結(jié)語

通過對榆樹坡煤礦5105 工作面回采期間支架工作阻力及超前支承壓力進(jìn)行監(jiān)測，得到了5105綜放工作面回采期間來壓步距及強(qiáng)度，同時得到了工作面超前支承壓力分布特征和應(yīng)力集中程度。5105 工作面回采期間，頂板初次來壓步距為22.5～28.8 m，平均為25.65 m，周期來壓步距約為7.6～14.1 m，平均為10.85 m。來壓期間支架工作阻力在22.7～38.1 MPa之間，平均30.4 MPa，動載系數(shù)在1.53～2.56 之間，總體表現(xiàn)為工作面中下部來壓強(qiáng)度較大、上部來壓較小的特點。工作面超前支承壓力影響范圍約為40 m，支承壓力峰值大約位于煤壁前方22 m處，峰值約為7.1～7.9 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約達(dá)1.65～1.97。根據(jù)支架安全閥開啟情況進(jìn)行分析可知，工作面上部支架初撐力較低，造成頂板管理較差，應(yīng)適當(dāng)提高支架初撐力以加強(qiáng)頂板管理。