發耳煤礦智能化綜采工作面礦壓規律研究

周 明 劉建剛

（1．六盤水師范學院礦業與機械工程學院，貴州 六盤水 553004；2．貴州發耳煤業有限公司，貴州 六盤水 553017）

0 引言

長壁開采具有效率高、產量大等優點，分析智能工作面長壁開采過程中礦壓顯現規律對具有相似地質條件的智能工作面安全高效開采具有重要意義。國內很多學者對不同類型地質條件下長壁工作面礦壓顯現規律做了詳細的研究，取得了一系列成果，但智能化綜采工作面礦壓顯現研究者較少。該文以發耳煤礦31004智能化綜采工作面為研究對象。

1 概況

1.1 31004智能化綜采工作面概況

貴州發耳煤業有限公司31004智能化綜采工作面是10#煤層第4個工作面，位于三采區軌道下山東翼，東至引F3斷層保護煤柱線，北至31002工作面（已回采），南至31006工作面（未準備），西鄰三采區軌道下山保護煤柱。工作面具體位置及井上下關系見表1。

表1 31004智能化綜采工作面位置及井上下關系

1.2 煤層

31004智能化綜采工作面開采煤層為10#煤，煤層走向由東南轉向東北，煤層傾角15°～21°，平均煤厚2.25m，煤層賦存比較穩定。10煤為塊狀-粉末狀，以亮煤為主，條帶狀結構，層狀構造，有細小方解石脈順外生裂隙穿切，煤層結構穩定，局部有夾石一層，夾石巖性為炭質泥巖。煤層硬度f=2～4。

1.3 煤層頂底板

31004智能化綜采工作面直接頂為泥巖，灰黑色，厚度3.05m，強度低，屬2類（中下穩定）頂板；基本頂為粉砂巖，灰-灰綠色，厚度7.18m，堅硬，屬Ⅰ級頂板。直接底為黏土質砂巖，遇水易膨脹，強度較低，底板容許比壓為4.15MPa。

2 工作面礦壓監測方案

2.1 礦壓監測的目的

為了掌握發耳礦31004智能化綜采工作面的礦壓顯現規律和特征，為后續相似條件下工作面安全高效回采提供依據，需要在31004工作面回風順槽和運輸順槽內布置礦壓及巷道變形觀測站進行礦壓觀測和巷道變形監測。1） 為及時掌握31004智能化綜采工作面礦壓顯現規律，分析液壓支架支護效能，以其為后續類似條件下智能工作面綜采液壓支架選型提供參考依據，需要在31004智能化綜采工作面進行液壓支架支護工作阻力觀測。2） 為31004智能化綜采工作面回風順槽和運輸順槽超前支護設計參數提供設計依據，掌握工作面前方煤體內應力（原巖應力區、應力增高區、應力降低分區）布情況，需要對31004智能化綜采工作面兩巷進行超前支承壓力的觀測。3） 通過高水材料巷幫充填沿空留巷圍巖變形、支護結構受力的觀測與分析，為判斷巷幫充填體的穩定性提供依據。

2.2 礦壓監測內容

工作面測站布置要具有代表性，能夠反映出整個工作面的實際情況，根據礦壓觀測內容來合理確定工作面測站布置，可在采面內間隔一定距離設置一個測站，且可以以測站內的支架作為觀測線。具體監測內容如下。1） 31004智能化綜采工作面工作面頂板運動規律分析。2） 31004智能化綜采工作面軌道巷表面收斂變形監測。3） 充填幫支護結構受力監測。

3 工作面頂板運動規律

工作面回采后，根據上覆巖層垂直破壞情況可將其劃分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，如圖1所示。

圖1 上煤層開采后覆巖移動概況

工作面冒落帶高度計算方法如下。當允許巖層冒落運動的空間高度S（自身厚度與下部空間之和）大于或等于其冒落充填厚度Km時，則第m層冒落，逐層向上推斷，直至（＜Km）不冒為止。其中K為各巖層的碎脹系數，m為第層巖層厚度，S為允許第層冒落運動空間，如式（1）所示。

Km＞S=+++...+m---...-Km（1）

可以根據巖石相關力學性質來決定巖石碎脹系數的大小。一般來說巖石單軸抗壓強度越大碎脹系數較大，巖石單軸抗壓強度小的碎脹系數相對較小。巖石的碎脹系數一般在1.05～1.80取值。

3.1 采場頂板組成及活動范圍

31004智能化綜采工作面頂板由直接頂和基本頂兩部分組成。直接頂厚度計算如式（2）所示。

式中：m—直接頂厚度，m；—采高，m；S—巖梁觸矸處沉降值，S=0.18h，m；K—巖梁觸矸處已冒落巖層的碎脹系數，根據此工作面條件，選取為1.31。

由于31004智能化綜采工作面設計采高為2.25m，因此把=1.31，=0.18h分別代入式（1），求得直接頂厚度m=5.95m。

結合工作面巖層情況知，可知直接頂厚度5.95m，由10煤層頂部的泥巖及粉砂巖的下部組成，其中泥巖厚度約為3.05m，粉砂巖厚度約為2.9m，直接頂以上的粉砂巖、細砂巖、粉細砂巖等構成采場的基本頂。

3.2 頂板來壓步距

各個測站部位頂板初次來壓和周期來壓步距見表2。

由表2可得，8#支架代表的工作面上部，基本頂初次來壓步距27.6m；基本頂周期來壓步距8.4m～14.4m，基本頂平均周期來壓步距11.1m。36#支架代表的工作面中部，基本頂初次來壓步距18.8m；基本頂周期來壓步距8.4m～16.2m，基本頂平均周期來壓步距12.1m。43#支架代表的工作面中部，基本頂初次來壓步距21.9m；基本頂周期來壓步距12.6m～14.4m，基本頂平均周期來壓步距14.3m。75#支架代表的工作面下部，基本頂初次來壓步距18.9m；基本頂周期來壓步距9.6m～13.8m，基本頂平均周期來壓步距11.9m。89#支架代表的工作面下部，基本頂初次來壓步距18.8m；基本頂周期來壓步距9m～19.6m，基本頂平均周期來壓步距13.4m。

表2 各個測站部位頂板初次來壓和周期來壓步距

綜上分析，31004智能化綜采工作面基本頂平均初次來壓步距21.3m，基本頂平均周期來壓步距約為12.6m。根據現場觀測，正常階段，直接頂基本隨采隨冒，無懸頂。

4 31004智能化綜采工作面軌道巷表面收斂變形監測

31004智能化綜采工作面軌道巷為原31002工作面軌道巷采用高水材料充填巷幫沿空保留的巷道，為了掌握沿空巷道變形受采動影響的變形破壞特征、高水材料充填幫支護結構受力特征以及工作面側向支承壓力的分布規律與實體煤幫的側向破壞范圍，為沿空留巷選擇合理的支護參數提供依據。巷道測站的監測內容有巷道表面位移監測、巷道充填幫支護結構受力監測和實體煤幫鉆孔應力監測。根據31004軌巷沿空留巷礦壓監測要求及測站位置選擇的一般原則，從31004工作面開切眼始，在31004軌道巷中布置4個測站，沿31004工作面推進方向分別為測站Ⅰ、測站Ⅱ、測站Ⅲ、測站Ⅳ，各測站間距30m，測站Ⅰ距離31004工作面開切眼20m。每個測站均進行巷道表面位移監測和支護結構受力監測，鉆孔應力監測在測站Ⅱ～Ⅳ進行。

4.1 巷道表面位移監測

巷道表面位移監測從2021年3月15日起至2021年9月17日結束。觀測期間，測站Ⅲ由于被軌道巷存放的單體液壓支柱擋住，數據缺失較多。故舍去測站Ⅲ，只對測站Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ的巷道表面位移及位移速度進行分析，測站Ⅳ巷道表面位移曲線如圖2所示。

圖2 測站Ⅳ巷道表面位移曲線

根據監測數據繪制的巷道表面位移與觀測點距工作面距離間的關系及移近速度可以看出，測站距離工作面約50m以遠，軌道巷兩幫及頂底板位移量沒有大的變化。測站距工作面50m左右，兩幫和頂底板位移量開始有所增加，但移近速度較低。在距工作面25m以內，兩幫和頂底板移近速度開始增大并保持一定的位移速度，總的頂底板移近量與兩幫移近量不大，兩幫移近量最大218mm，頂底板移近量最大116mm，兩幫移近量大于頂底板移近量。根據31004工作面軌道巷表面位移監測數據分析，可認為軌道巷超前支承壓力影響范圍在面前25m范圍內。31004工作面軌道巷高水材料充填幫隨工作面推進，變形量不大，能夠承受工作面超前采動影響，巷道整體穩定。

4.2 軌道巷充填幫支護結構受力監測

充填幫支護結構受力監測從2021年3月15日起至2021年9月17日結束，在每個測站斷面充填幫安裝兩臺錨桿測力計，以觀測巷幫充填體隨工作面推進支護結構受力的變化情況。測站Ⅲ充填體支護結構受力與觀測點距工作面距離間的關系如圖3所示。

由圖3可以看出如下3點。1） 隨著工作面推進，支護結構受力呈增長趨勢，且下幫部錨桿受力增長幅度略大于上幫部。2） 監測期間，錨桿受力最大104kN（26MPa），但充填體并沒有發生明顯的變形破壞，說明充填體具有一定的承載能力。3） 測站Ⅲ下幫部錨桿在受力達到99.2kN～104kN（24.8MPa～26MPa）時，測力計出現讀數急劇下降現象，說明錨桿受力可能超過其極限承載能力。

圖3 測站Ⅲ充填體錨桿受力變化曲線

5 結論

該文通過對31004工作面進行常規的礦壓監測、31004軌道巷表面收斂變形監測、充填幫支護結構受力監測等得到了以下幾點結論。1） 采場頂板組成及活動范圍：直接頂厚度5.95m，由10煤層頂部的泥巖及粉砂巖的下部組成，其中泥巖厚度約為3.05m，粉砂巖厚度約為2.9m；直接頂以上的粉砂巖、細砂巖、粉細砂巖等構成采場的基本頂。2） 工作面基本頂來壓：31004工作面基本頂平均初次來壓步距21.3m；基本頂平均周期來壓步距12.6m。3） 31004工作面軌道巷超前支承壓力影響范圍在面前20m～30m。工作面軌道巷高水材料充填幫隨工作面推進，變形量不大，能夠承受工作面超前采動影響，巷道整體穩定。4） 隨著工作面推進，充填幫支護結構受力呈增長趨勢，且下幫部錨桿受力增長幅度略大于上幫部。充填體沒有發生明顯的變形破壞，說明充填體具有一定的承載能力。