厚煤層綜放工作面礦壓規律研究

＊倪先杰 孫茂如 汪小平 張旬 洪士保 郭敬中

（1.中煤新集能源股份有限公司板集煤礦 安徽 236744 2.華北科技學院安全工程學院 河北 065201）

隨著我國經濟的迅速發展，煤炭資源需求增大。礦井安全在礦井生產中占有舉足輕重的地位，礦井壓力是制約礦井安全的一個重要因素，其規律的研究對于保障礦井的安全生產具有重要意義。通過對礦井壓力的分析與研究，可以對礦井的回采順序進行合理的安排，采用合理的回采方式，以及最優的支護方案[1-2]。在我國，由于采動干擾的作用，工作面兩側巷道的礦壓顯現和支護問題是制約煤礦井下高效、安全生產的一個關鍵因素[3-5]。尚延輝等[6]通過對礦井下壓力觀測點的設計布置，成功地實現了采場巷道圍巖應力及變形的實時監控及相關分析；張志立等[7]利用頂板離層儀、錨桿（索）測力計和鉆孔應力計等設備對煤礦的目標工作面的運輸順槽或采空區下孤島工作面的掘進過程對礦山壓力進行觀測；申創華[8]對工作面材料順槽的圍巖變形規律進行監測與分析，通過結果采取不同的加固方式，有效增強了巷道的穩固性，極大地提升了煤礦開采的安全性，確保了煤礦的安全生產。因此，本項目以某礦厚煤層工作面為研究對象，采用現場實際檢測手段，重點研究其采動影響下的礦壓顯現特征及演變規律，以期為同類工程提供借鑒。

1.工作面概況

某礦厚煤層工作面位于8#煤三下盤區，煤層傾角為3°～6°，平均4°左右；煤層的平均層厚約為7.0m，煤層采高3.7m，放頂煤3.3m，工作面的長度200m。工作面的直接頂主要為泥巖、砂質泥巖；基本頂的巖性主要是粗砂巖和粉砂巖；而直接底則主要是細砂巖、中砂巖、粉砂巖。該工作面使用“錨桿+錨索”聯合支護方案進行支護。

2.工作面液壓支架周期來壓分析

(1)工作面初采階段來壓特征

在工作面初采期間（0～50m），工作面頂板未發生明顯變形，老頂和直接頂未發生離層；工作面未發生大面積來壓現象。工作面壓力基本都由初撐力保證，約為25.2～30.0MPa。綜放工作面初采0～50m礦壓曲面如圖1所示。

圖1 工作面初采期間礦壓曲面圖

圖2 工作面正常回采期間礦壓曲面圖

如圖1所示，工作面初次來壓步距為73m，來壓期間工作面頂煤及直接頂垮落、老頂初次垮落。工作面初采期間（50～100m）兩順槽圍巖未發生明顯變形，老頂和直接頂也未發生離層；工作面遭受了初次來壓以及兩次周期性來壓的壓力，安全閥的開啟情況較為嚴重，礦壓規律相對復雜，來壓步距不穩定。來壓范圍主要在35#～75#架，在工作面回采期間，支架的載荷為25.2～58.4MPa，其平均載荷為36.9MPa。在來壓時的支架載荷為0～48.4MPa，平均載荷是44.6MPa。非來壓時的支架載荷介于25.2～40MPa之間，平均載荷約為32.6MPa。而其動載系數平均在1.22～1.79之間。

(2)正常回采階段來壓特征

在工作面正常回采期間（150～200m），工作面主要經受了12次周期來壓，此時周期性來壓現象相對較為緩和，安全閥未見嚴重開啟現象。然而，由于頂板破碎程度較高，導致礦壓規律變得復雜，進而導致來壓步距的穩定性不佳。來壓范圍以35#～65#架為主，50#架周圍是最大的壓力區。在回采過程中，支架的載荷范圍為25.2～53.0MPa，平均載荷約為30.7MPa。在來壓時支架的載荷范圍為40～53.0MPa，平均載荷約為42.7MPa。非來壓時的支架載荷為25.2～40.0MPa，平均載荷約為27.8MPa；其動載系數平均在1.43～1.90之間。

3.巷道圍巖變形破壞特征分析

礦壓監測站在工作面的進風巷道、回風巷道布置位置見圖3。

圖3 巷道礦壓觀測站位置布置示意圖

(1)表面位移變形分析

從圖4可以看出，伴隨工作面的掘進開始，進風巷與回風巷出現較大變形量的位置在距離工作面0～60m處，最大受壓區域在20m左右。伴隨回采工作面的掘進，巷道圍巖的變形破壞速率不斷加快，導致巷道表面位移量的快速增加，工作面超前支承的影響范圍在60m左右，嚴重影響范圍為20m。進風巷和回風巷的頂板和底板累積變形在500mm左右，兩幫移近量累積在90～120mm之間。雙巷頂底板變形量較大，需注意巷道頂底板的支護。

圖4 工作面雙巷變形特征

(2)頂板離層分析

由圖5可知，進風巷道測站距工作面75m時，頂板離層開始初步產生；在距工作面40m處，第一次受采動影響發生離層；在距工作面20m處影響加大，累計變形量為98mm。工作面回風巷道頂板圍較巖穩定、離層量很小，且每一測點的位移變化量穩定，累計離層量僅為29mm。工作面的淺部巖體（2.5～5m）可能產生了小離層，深部巖體（7.5～10m）幾乎沒有發生離層。

圖5 多點位移計離層監測位移曲線

(3)錨桿(索)受力分析

由圖6可知，伴隨著工作面推進，測站與距工作面之間的距離變短，錨桿測力計的讀數會逐漸緩慢增大。當工作面推進至距測站20～22m時，超前支承應力達到峰值狀態，雙巷錨桿（索）受力峰值均位于頂板錨索測點，且進風巷錨桿（索）受力峰值最大，約為80kN。

圖6 錨桿受力變化曲線

4.結論

（1）工作面來壓時的支架載荷平均為44.6MPa，來壓規律復雜、不穩定，來壓集中在工作面中部，來壓步距約為73m，動載系數平均為1.22～1.79。

（2）工作面正常回采期間周期來壓現象較為緩和，安全閥未見嚴重開啟現象，來壓范圍集中在中前部，來壓時支架載荷平均為42.7MPa，動載系數平均為1.43～1.90。

（3）伴隨回采工作面的掘進，巷道圍巖的變形損壞速率不斷增長，導致巷道表面位移量也在快速增加。工作面超前支承影響的范圍在60m左右，嚴重影響范圍為20m。工作面的雙巷頂底板累計受力變形最大，變形量約為500mm；頂板錨桿（索）受力約為80kN，離層量為98mm且發生在淺部。