73904工作面遠程監控及礦壓顯現規律分析

王君杰

(西山煤電集團公司 杜兒坪煤礦， 山西 太原 030022)

杜兒坪煤礦主要可采煤層為2#、3#、6#、7#、8#、9#煤，可采煤層總厚度16.37 m，煤種有貧煤、瘦煤和貧瘦煤。目前主要開采2#、3#、8#煤層，基于2#與3#煤層間距較薄，巷道圍巖壓力大，針對傳統機械式頂板監測設備監測數據不連續的問題，在采掘過程中對巷道及工作面加設頂板在線監測系統，通過對不間斷數據的分析，總結頂板活動規律，為支護方案優化提供依據，降低圍巖壓力對采掘活動的影響，從而提高礦井生產效率。

1 工作面概況

73904工作面位于杜兒坪煤礦南九盤區3#煤層，走向長963 m，傾向長147 m，煤層厚度穩定，總厚3.154～4.50 m，平均3.64 m，煤層結構復雜，煤層傾角2°～6°，平均3°,直接頂為3.30 m厚細粒砂巖，基本頂為3.0 m厚粗粒砂巖，直接底為5.6 m厚砂質泥巖，基本底為8.50 m厚K5含礫粗砂巖，可采儲量574 770.9 t，屬貧瘦煤，硫分較低，灰分較高。73904工作面北鄰南九3#煤皮帶巷，東鄰73903工作面(已采)，西鄰73906工作面(未掘)。工作面上部為72904工作面采空區，層間距2.7～3.8 m，為近距離煤層， 工作面布置見圖1.

圖1 工作面布置圖

2 頂板動態監測方案

巷道頂板活動主要表現形式有3種，即彎曲下沉、冒頂及離層，為更好地實現對73904工作面兩巷頂板活動情況的監測，在兩巷每隔50 m布置一組礦壓監測點，包括：GUD500頂板離層儀在線監測、錨桿錨索測力計。同時，對工作面支架壓力進行監測。73904工作面共布置98臺液壓支架，為實時監測工作面支架工作阻力，將工作阻力監測系統安裝于架內。支架壓力監測站共9個，第1個監測點布置在第11#支架，中間間隔10架，第2個監測點布置在第21#支架，依次類推。系統現場總線采用標準 RS485 數據總線，壓力監測站主要用于采集支架工作阻力及最大工作阻力，并及時、準確地將監測數據上傳至本安型分站。本安型分站利用控制巡測下位壓力的方式實現對各測站的監測，進一步將數據上傳至監測主站。綜采支架工作阻力監測系統供電設備采用KDW28-18型或KDW660/18B型隔爆兼本安電源。1臺電源承載本安型分站和壓力監測站的數量分別為1臺和12臺，一旦超出需要增加供電電源保證正常供電。

3 礦壓顯現規律分析

3.1 采場礦壓顯現規律

73904工作面采空區頂板管理采用自然垮落法。近距離煤層回采結束后能夠使基本頂觸矸時間提前，改變以往支架上覆巖層的受力情況[1-2]. 由于垮落步距縮短較快切斷了基本頂的應力傳遞途徑，應力集中將反復在支架和實體煤中呈現，因此，支架的受力情況將會加強，具體表現為支架壓力的短期反復升高降低和周期來壓變得更明顯更短。同時，近距離煤層回采期間的影響也是有一定范圍，影響范圍外的巷道頂板相比較于其他煤層并無區別。采場主要劃分為3個礦壓區域：工作面影響區、靠近側煤柱影響區和巷道未影響區。采場應力分布云圖見圖2，液壓支架載荷曲線變化見圖3.

圖2 工作面應力分布云圖

分析圖2，圖3可得出,回采期間工作面采動后所傳導壓力對巷道影響區范圍在15.5～19.8 m，且巷道受動壓主要影響區域為下半部巷道。近距離、非近距離對采場礦壓規律的影響見表1，2.

表1 非近距離煤層對采場礦壓規律的影響表

表2 近距離煤層對采場礦壓規律的影響表

由表1，2可知，與非近距離3#煤層影響相比，本工作面液壓支架最大壓力增加了7.3 MPa；平均壓力增加了3.5 MPa；周期來壓步距減少了6.5 m. 工作面影響區與巷道未影響區液壓支架工作阻力及周期來壓步距相差不大。周期來壓步距的減少表明在近距離回采的影響下，工作面端頭直接頂垮落高度小且塊度大(碎脹系數小)，采空區在充填效果上的表現較差，采空區無法被碎脹的矸石完全填充，因而為基本頂回轉留有一定的空間，這就導致了回轉變形嚴重，導致斷裂現象的發生，減小了斷裂的步距。

基本頂斷裂步距減小，但支架工作阻力增大，表明在近距離煤層回采的影響下，直接頂破斷垮落后，形成碎漲的矸石，一般情況下，這些矸石的量與采空區的實際需求量存在一定的距離，因此無法達到填滿的要求，為基本頂回轉的發生留有一定的空間，因而會產生較大的變形，進而對工作面及兩巷直接頂產生的壓力也較大。

3.2 頂板離層變化規律分析

頂板離層監測布設23個頂板離層監測點，其位置見表3，其中選用具有代表性的3#、7#和9#錨索應力計的錨索應力值，變化曲線見圖4.

根據圖4曲線能夠分析出頂板離層值及頂板最大離層值變化情況，見表4.

由圖4和表4可知：

1) 超前支撐壓力對于工作面的頂板離層影響顯著，一般情況下，影響范圍處于23.8～15.3 m，平均19.8 m.

2) 由3#、7#和9#監測點的曲線變化趨勢可知，工作面回采時，頂板離層值距工作面距離越近離層值越大。

圖3 工作面液壓支架載荷監測曲線圖

表3 頂板離層儀安裝位置表

圖4 回采期間頂板離層值變化圖

3) 3個應力監測點的深基點最大值為98.4 mm，平均為87.5 mm；淺基點最大值為55.1 mm，平均為47.2 mm.

4 結 論

通過對近距離煤層綜采工作面安設的頂板在線監測設備和巷道內監測設施的數據進行分析，探索回采過程中采動壓力對巷道內支護超前影響范圍，與巷道變形、錨桿受力等存在的關系，掌握了近距離煤層在回采期間圍巖應力在不同條件下的分布狀況和顯現規律。

表4 頂板離層值變化及最大離層值表

1) 3號煤層回采過程中采動壓力對巷道影響區范圍在15.5～19.8 m，且巷道受動壓主要影響區域為下半部巷道，在進行相似條件3號煤層設計時頂板支護采取注漿錨(桿)索等補強，提高頂板承載能力。

2) 工作面采動壓力對巷道內的頂板離層影響顯著，一般情況下，影響范圍處于23.8～15.3 m，平均19.8 m，因此超前支護距離打設不少于20 m.

3) 工作面回采時，頂板離層值距工作面距離越近離層值越大，要加快回采推進速度，縮小巷道內超前支護排距，有效控制采動壓力延伸，保證作業安全。