超長工作面高強度開采礦壓顯現規律實測研究

馬 平，申紅軍，邢平偉

（1.山西鄉寧焦煤集團有限公司，山西 鄉寧 042100；2.太原理工大學 采礦工藝研究所,山西 太原 030024）

超長工作面高強度開采礦壓顯現規律實測研究

馬 平1，申紅軍1，邢平偉2

（1.山西鄉寧焦煤集團有限公司，山西 鄉寧 042100；2.太原理工大學 采礦工藝研究所,山西 太原 030024）

通過觀測研究,揭示了近淺埋煤層360m工作面的礦壓顯現特征和頂板活動規律,對比300m工作面，總結了工作面長度對礦壓顯現的影響規律，對研究淺埋煤層頂板結構理論和指導生產實踐具有重要的理論和實踐意義。

淺埋煤層；超長工作面開采實驗；礦壓觀測；礦壓顯現

長期以來，借鑒國外先進的開采技術經驗，榆礦淺埋薄基巖煤層開采，主要應用240m長度的綜采工作面進行，在開采技術與技術裝備配套方面積累了豐富的經驗。2005年榆礦4-2煤層成功應用300m工作面，但360m工作面開采的應用與研究尚屬空白。為了給神東礦區超長工作面的推廣以及高產高效計劃實施摸索積累實踐經驗，在對300m工作面進行觀測的基礎上，進行360m工作面礦壓顯現規律與巖層控制技術等超長工作面的關鍵問題研究。

1 工作面概況

44200-Ⅰ工作面煤層埋藏較淺（100m左右），開采厚度3～4m，頂板為砂質泥巖直接頂，厚度6.25 m，中砂巖基本頂，厚度14.5m,比較容易垮落，煤層傾角平緩，一般0～3°，賦存穩定，厚度變化小。

2 礦壓儀器布置與觀測方案

為獲取代表全工作面礦壓分布特點的觀測數據，試驗在全工作面長度設置7個觀測站（見圖1），每個測站的支架上2個立柱均安裝電子圓圖自記儀表，測站編號為 CZ1、CZ2、CZ3、CZ4、CZ5、CZ6、CZ7。測站間距45m，距離工作面機頭（下出口）分別為 45m、90m、135m、180m、225m、270m、315m。

3 礦壓觀測數據分析

44200-Ⅰ工作面的礦壓觀測，歷經2個月，獲得了數以萬計的實際觀測數據。分析上部測線（329.9m），中部側線（180m）,下部測線（35.9m）的支架載荷變化。

圖1 44200-Ⅰ工作面礦壓觀測布置方案

3.1 44200-Ⅰ工作面初次來壓規律

從44200-Ⅰ工作面支架載荷變化曲線，分析出該360m超長工作面，下部測線的直接頂垮落步距為13.8 m，垮落時支架載荷為35 MPa，是平時載荷的1.4倍；中部測線的直接頂垮落步距為14.6 m，垮落時支架載荷為41 MPa，是平時載荷的1.35倍；上部測線的直接頂垮落步距為17m，垮落時支架載荷為38MPa，是平時載荷的1.32倍。3條測線的直接頂垮落步距平均值為15.1m。按照全工作面3條測線的支架載荷總平均值與推進距離關系，直接頂垮落步距為18.6m。綜合二者數據知該面的直接頂垮落步距為16.9m。該工作面下部測線實測初次來壓步距為27.4 m，中部為29.1 m，上部為37 m，全工作面總平均初次來壓步距為31.2 m。按照全工作面3條測線的支架載荷總平均值與推進距離關系，初次來壓步距為33.1m，與各測線初次來壓步距平均值31.2m吻合。綜合平均，該面的初次來壓步距平均值為32.2m。

3.2 44200-Ⅰ工作面周期來壓規律

觀測期間下部測線共經歷了28次周期來壓，其周期來壓步距變化范圍在5.95～34.85 m，平均為14.36m；中部測線經歷了33次周期來壓，其周期來壓步距變化范圍在5.1～21.5 m，平均為12.08 m；上部測線經歷了34次周期來壓，其周期來壓步距變化范圍在4.3～20 m，平均為11 m；全工作面各測線總平均載荷與推進距離觀測表明，經歷了30次周期來壓，來壓步距范圍在4.25～30.6m，周期來壓步距總平均值為13.11m。3條測線的平均周期來壓步距總平均，知周期來壓步距為12.48m，綜合考慮得該工作面的周期來壓步距12.8m。參見表1。

表1 工作面周期來壓步距變化特性

3.3 44200-Ⅰ工作面載荷變化與分布規律

3.3.1 整個觀測期間各測線的載荷變化規律

在整個觀測期間，工作面3條測線的初撐力與末阻力的實測數據，如表2所示。

表2 整個觀測期間工作面載荷變化特征

全工作面3條測線總平均后，支架初撐力在20.78～34.33 MPa變化，平均為27.89 MPa；末阻力在26.17～46 MPa范圍變化，平均為34.1 MPa，末阻力平均值是初撐力平均值的1.22倍。

3.3.2 周期來壓期間各測線的載荷變化規律

全工作面3條測線總平均后，周期來壓期間支架初撐力在26.1～34.3 MPa之間變化，平均為29.25；末阻力在33.7～46 MPa范圍變化，平均值38.22 MPa,末阻力平均值是初撐力平均值的1.31倍。參見表3。

表3 周期來壓期間各測線的載荷變化規律

3.3.3 支架初撐力與末阻力的關系分析

整個觀測期間[2]，支架末阻力Pm與初撐力P0的回歸關系為：

Pm=（0.931P0+10.108）MPa.

支架末阻力與初撐力呈線性關系，相關系數R=0.6195。

來壓期間，支架末阻力Pm與初撐力P0的回歸關系（見圖2）。

圖2 來壓期間支架初撐力與末阻力的關系

支架末阻力與初撐力呈線性關系，相關系數R=0.6629。

3.3.4 沿工作面方向的礦壓分布特征分析

1）整個觀測期間礦壓分布特征

對于初撐力而言（如表2所示），工作面中部平均支架載荷大于上部平均值，而上部又大于下部平均值。初撐力的最大值表現為工作面中部的支架載荷和上部相當，而大于下部。最小值表現為中部大于上部，上部又大于下部。

對末阻力而言（如表3所示），工作面中部的平均支架載荷大于上部支架載荷平均值，而上部又大于下部支架載荷平均值。末阻力的最大值，工作面中部的支架載荷大于下部支架載荷，而下部大于上部支架載荷。下部與上部支架末阻力基本相當。最小值呈工作面中部的支架載荷大于下部支架載荷，而下部大于上部支架載荷。參見圖3。

圖3 整個觀測期間沿工作面礦壓分布特征

初撐力和末阻力最小值上部小于下部的原因是工作面液壓管路遠，越接近機尾液壓管路損失越大，供液壓力越低造成。

2）工作面來壓期間礦壓分布特征

初撐力（見表2）表現為工作面中部支架載荷大于上部，而上部又大于下部。初撐力最大值，工作面中部載荷小于上部，而上部大于下部。初撐力最小值，工作面中部載荷大于上部，而上部大于下部。末阻力（見表3）表現為工作面中部支架載荷大于上部，上部大于下部。末阻力最大值，工作面中部載荷、上部載荷、下部載荷，三者基本相當。全工作面3條測線的末阻力最大值均超過了支架額定阻力值（安全閥開啟壓力整定值45MPa）。末阻力最小值，工作面中部載荷大于上部，而上部大于下部。參見圖4。

圖4 周壓期間沿工作面礦壓分布特征

3.3.5 周期來壓次序與來壓強度的關系分析

工作面頂板來壓明顯分為7個階段（見圖5），第1階段為直接頂垮落、基本頂初次來壓和1～3次周期來壓，支架載荷增量平均為9.6 MPa；第2階段為第4次周期來壓，來壓強度很大，為17 MPa；第3階段為5～11次周期來壓，支架載荷增量平均為8.4 MPa；第4階段為12～15次周期來壓，強度較小，支架載荷增量平均為5.9MPa；第5階段為16～21次周期來壓，強度增大，平均為11MPa；第6階段為第22次周期來壓，來壓強度低，僅為4.1 MPa；第7階段為23～30次周期來壓，來壓強度較大，平均為8.7MPa。

圖5 工作面周期來壓次序與強度

3.3.6 周期來壓動載系數分析

工作面下部、中部和上部測線的動載系數平均值分別為1.39、1.47、1.41，平均為1.42，滿足中部（180m）＞上部（329.9m）＞下部（35.9m）的順序。

4 結論

通過對榆礦4-2煤層360m工作面礦壓顯現規律的實測，并與該煤層條件下300m工作面礦壓顯現規律比較分析，得出：采高不變，工作面長度加長，初次來壓步距和周期來壓步距均減小。榆礦4-2煤層300m工作面初次來壓步距和周期來壓步距分別為56.4m和20m。

在采動影響相同的情況下，長度大的工作面礦壓顯現強烈。360m工作面最大末阻力平均為34.1 MPa，300m工作面最大末阻力平均為30.5MPa。

沿工作面表現為中間大，兩端小的礦壓分布特征不因工作面長度不同而變化。

工作面支架初撐力與末阻力的回歸關系為線性正比。來壓期間MPa，長度小的工作面，增阻慢；長度大的工作面，增阻快。說明工作面長度越大，采場頂板失穩來壓的動載荷加載速度越快。

工作面都存在沖擊載荷。360 m工作面支架載荷最大值為45～49 MPa，300 m工作面支架載荷最大值為44～54MPa。

〔1〕黃慶享,劉文崗,田銀素.淺埋煤層大采高礦壓顯現規律實測研究〔J〕.礦山壓力與頂板管理，2003（3）：58-59.

〔2〕宋選民，顧鐵鳳，閆志海.淺埋煤層大采高工作面長度增加對礦壓顯現的影響規律研究〔J〕.巖石力學與工程學報.2007，26（2）：4007-4012.

〔3〕邢平偉，宋選民，付玉平等.神東大采高超長工作面礦壓顯現強度預測研究〔J〕.中國煤炭.2009，35（8）：43-47.

Abstract:According to observation,the study reveals the strata behavior and roof activities rules of the 360m working face in the close-shallow seam.Compared with 300m working face,the paper concludes the influence regularity of working face length on the strata behavior,which has great theoretical and practical significance on the study of roof structure in shallow seams and the coal production.

Keywords:shallow seam,ultra-long face mining experience;pressure observation;strata behavior

編輯：劉新光

Measurement Study of High-tension Mining Strata Behavior Rule on Ultra-long Face

MA Ping1,SHEN Hong-jun1,XING Ping-wei2
（1.Xiang Ning Coking Coal Group,Xiangning Shanxi 042100,China;2.Mining Technology Institute,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024,China）

TD325

A

1672-5050（2010）04-0048-03

2009-11-18

山西省科技攻關項目（200631118-02）；太原市科技項目（09122036）

馬 平（1973—）男,山西鄉寧人，工程師，主要從事煤炭開采技術和管理研究。