含硬煤夾層厚煤層綜放面礦壓顯現規律研究

邢桂新，項 國，徐騰飛，孫英天，顏丙雙

(中國礦業大學)

S204綜放工作面位于秦源煤礦+520 m水平，該面地質構造簡單，煤層呈單斜構造。該面煤層厚度5.0～8.98 m，平均7.8 m，煤層傾角平均為15°，工作面傾斜長175 m，推進長度1 567 m；煤質較軟，硬度系數為0.8。在頂煤中含有一定厚度的硬煤夾層，硬度系數為1.2，厚度為0.5～1.5 m。直接頂為灰色、深灰色砂質泥巖，平均厚度為4.13 m；老頂為灰白色含礫粗砂巖，成分主要為石英，高嶺土泥質膠結、較堅硬，平均厚度為3.5 m。該工作面采用綜合機械化走向長壁綜采放頂煤采煤方法，割煤截深0.6 m，割煤高度2.5 m，放煤高度5.3 m，采放比1∶2.12。工作面采用ZF5500 /17 /28HQ型放頂煤支架，初撐力4 321 kN，額定工作阻力5 446 kN。

1 工作面來壓特征及支架工作阻力分析

1.1 觀測方案

工作面礦壓觀測設備采用KBJ-60Ⅲ-1綜采支架工作阻力連續記錄儀。將工作面分為上、中、下3段進行監測，共設3個測站，上部測站安裝3個壓力傳感器，中部測站安裝4個壓力傳感器，下部測站安裝3個壓力傳感器。其中110#、99#、88#支架組成上部測站，77#、66#、55#、44#支架組成中部測站，33#、22#、11#支架組成下部測站。測區布置示意圖見圖1。

1.2 工作面周期來壓

工作面的周期來壓步距平均為16.1 m，在綜放開采不含硬煤夾層段時，周期來壓步距平均為12.3 m。可見由于硬煤夾層的影響，工作面的平均周期來壓步距增大。動壓系數平均值為1.40。來壓步距及強度見表1。3個測站支架工作阻力隨工作面推進的變化曲線見圖2，來壓時平均工作阻力為3 907.5 kN/架，是平時支架載荷2 790 kN/架的1.4倍。平均動壓系數略高于全國放頂煤工作面的平均動壓系數(1.37)，來壓較明顯。

圖1 測區布置示意圖

表1 來壓步距及強度

圖2 支架工作阻力隨工作面推進的變化示意圖

從觀測的數據分析可知，S204工作面在推進過程中，由于受到煤厚變化、地質構造及推進速度等各種復雜條件的影響，導致周期來壓表現出的主要特征為：工作面上、中、下各個部位周期來壓時間不一致，來壓步距也不相同， 即使在同一測區， 每次周期來壓步距也有差異。周期來壓步距在一定程度上受頂煤放出率的影響，放煤不充分時，因頂板條件差異和頂煤放出不等，造成頂板垮落不均勻，形成分段來壓，差異比較大。

1.3 支架工作阻力測定

本次觀測得到了大量的數據，實測數據統計見表2，表3。

表2 支架初撐力實測統計 kN/架

表3 支架循環末阻力實測統計 kN/架

經過數據分析，可得出以下結論：

1) 沿工作面全長支架載荷的分布特點為：工作面兩端壓力小于中部壓力，上端壓力小于下端壓力。在實際生產過程中也可以發現，煤壁片幫等主要集中在工作面中部及下部區域，表明該區域支架載荷較大，礦壓顯現比較顯著。

2) 實測工作面支架初撐力平均值為2 343 kN/架，為額定初撐力的54.2%，初撐力利用率偏低，尤其工作面上部支架的初撐力平均值為1 951 kN/架，只相當于額定初撐力的45.2% ，可見上部支架的初撐力偏低。支架初撐力是支架作用于頂板的主動力，其大小對于頂板的穩定性控制及頂煤的放落回收具有很大影響。一般在軟煤條件下，支架應具有高初撐力、低阻力，使額定工作阻力與初撐力的差值減小，這樣有利于對端面頂煤的穩定性控制。S204工作面支架初撐力低的原因，經分析認為有以下幾個原因：

a) 升柱時注液時間較短。b) 注液槍注液時有漏液現象。c) 部分立柱管理不力，存在漏液現象。

3) 實測工作面支架循環末阻力平均值分別為3 076 kN/架，相當于額定工作阻力的56.5% ，可見支架的利用率偏低，支架性能沒發揮出來。因此，要加強工作面現場管理，提高支架的初撐力，充分發揮支架的工作效率。

4) 實測最大工作阻力平均值為4 721.7 kN/架，相當于額定工作阻力86.7%。實測數據統計中，最大工作阻力為4 991 kN/架，相當于額定工作阻力的91.6%。由此可見，支架是在較富裕工作阻力下運行的，可見工作阻力可以滿足工作面實際開采的要求，所選低位放頂煤支架ZF5500/17/28HQ的性能完全能夠滿足工作面對頂板的支護要求。

2 工作面超前支承壓力分布特征

工作面超前支承壓力實測采用鉆孔應力計，將5臺鉆孔應力計安裝在S204工作面上順槽距工作面煤壁90 m煤體下幫處。安裝深度分別為2 m、4 m、6 m、8 m、10 m。主要區別是深入煤體的范圍不同，其目的是測量不同深度范圍工作面煤體超前支承壓力的變化情況。所測數值均為相對應力變化值。

當工作面推進到應力計安裝位置時，5臺鉆孔應力計均獲得了數據，可得出工作面超前支承壓力與測點到工作面煤壁距離之間的關系曲線(見圖3)。

由圖3可知，6 m和10 m的鉆孔應力計由于安裝或其它原因數據發展趨勢不符合實際，可認為數據失效。

由2 m、4 m、8 m深的鉆孔應力計可知，隨著工作面的推進，鉆孔開始變形收縮，數據呈緩慢增加的趨勢。

圖3 工作面超前支承壓力分布圖

對于2 m深的鉆孔應力計，工作面超前支承壓力峰值為4.05 MPa，距離工作面煤壁10.2 m 超前支承壓力影響范圍大約40 m，顯著影響范圍有26 m左右。應力集中系數2.01。

對于4 m深的鉆孔應力計，工作面超前支承壓力峰值為3.87 MPa，超前支承壓力峰值距離工作面煤壁7.6 m，超前支承壓力影響范圍大約35 m，顯著影響范圍有20 m左右，應力集中系數1.94。

對于8 m深的鉆孔應力計，工作面超前支承壓力峰值為3.24 MPa，距離工作面煤壁12 m 超前支承壓力影響范圍大約35 m，顯著影響范圍有20 m左右。應力集中系數1.78。3個鉆孔應力計具體相關數據見表4。

表4 不同深度測點的應力特征值

通過現場實測，工作面超前支承壓力峰值點離工作面大約10 m左右，影響范圍大約37 m左右，應力集中系數平均1.91。由工作面超前支承壓力分布情況來看，盡管工作面可采煤層煤質較軟，但是由于煤層結構復雜且頂煤中含有一定厚度的硬煤夾層，相當于頂煤中存在著強度較大的夾矸層，從而顯現出較硬煤層的支承壓力分布特征，即支承壓力的分布范圍和峰值點距煤壁的距離并不大。

3 結 論

1) 含硬煤夾層厚煤層綜放工作面平均周期來壓步距為16.1 m，比不含硬煤段簡單結構厚煤層綜放開采的平均周期來壓步距大，平均動壓系數為1.40，略高于全國放頂煤工作面的平均動壓系數(1.37)，來壓較明顯。

2) 工作面支架初撐力偏低，支架利用率偏低，因此，應該加強工作面現場管理，提高支架的初撐力，充分發揮支架的工作效率。

3) 工作面兩端支架載荷小于中部支架載荷，上端支架載荷小于下端支架載荷，支架性能完全能夠滿足支護強度的要求。

4) 含硬煤夾層厚煤層綜放開采時，由于頂煤中含有一定厚度的硬煤夾層，相當于頂煤中存在著強度較大的夾矸層，超前支承壓力顯現出較硬煤層的支承壓力分布特征，即支承壓力的分布范圍和峰值點距煤壁的距離并不大。

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