淺埋深大采高礦壓監測與分析

張衛民

(山西晉煤集團洪洞晉圣榮康煤業有限公司,山西 臨汾 041600)

位于陜北和內蒙的礦區，目前及今后相當長一段時間內，各礦開采區域大部分埋深都小于120m[1]。這類煤層具有淺埋深、薄基巖的特點。淺埋煤層開采采場礦壓非但沒有因采深變淺而減小，反而由于綜采工作面在上覆薄基巖層和松散沙層的重力作用下,發生頂板基巖全厚切落，出現異常強烈的礦壓顯現，造成工作面壓力明顯加大，同時地面出現臺階下沉。

隨著神東礦區的開發，我國許多學者開始了淺埋煤層采場礦壓問題的研究。20世紀90年代初中國礦業大學錢鳴高院士首次提出了采場上覆巖層活動中的關鍵層理論，建立了關鍵層的判別準則，深入研究了在關鍵層作用下巖層的變形、離層及斷裂規律[2]。侯忠杰教授在錢鳴高院士提出的“關鍵層理論”基礎上提出了“組合關鍵層”理論，用“組合關鍵層”分析了淺埋煤層頂板控制理論[3]，提出了淺埋煤層頂板某幾層巖層形成組合關鍵層。柴敬教授對淺埋煤層的大比例立體模型進行了研究[4]，通過模型因次分析，開展了為研究神府礦區淺埋深、薄基巖、厚沙覆蓋層下開采巖層破斷運動規律而進行的大型立體模擬實驗，直觀再現了礦井在開采過程中上覆巖層的動態破壞過程。

顯然，淺埋近距離下煤層工作面開采礦壓顯現異常有其特殊性，需要掌握此類條件下覆巖運動規律與動載礦壓發生機理，才能有的放矢，找出合理的防范措施，保證后續工作面的安全生產。

1 222203工作面概況

井田地面大部分為低矮山丘，地形總體趨勢南高北低，煤層傾角1°～5°。埋深0～160m；第四系厚度在0～24.31m，平均5.63m。煤層頂底板巖石主要為砂質泥巖、細粒砂巖，次為粉砂巖。2-2上煤層位于延安組第三巖段(J1-2y3)中上部，2煤組上部，井田內基本全區發育且基本全區可采，煤層自然厚度0～11.46m，平均4.50m，可采厚度0.80～10.28m，平均4.55m。煤層頂底板巖石主要為砂質泥巖、細粒砂巖，次為粉砂巖。

222203工作面輔助運輸順槽位于2-2上煤層輔助運輸大巷北翼，222203膠帶運輸順槽在輔助運輸順槽正東240m處，兩順槽呈南北方向條帶型布置。工作面端頭選用ZYT11000/25/50D型端頭液壓支架7架，其中溜尾4架，溜頭3架。選用4架ZYG11000/25/50D型過渡支架，其中溜頭、溜尾各2架，中間支架選用ZY11000/28/63D型支撐掩護式支架131架，共142架，支架全部使用北京天地瑪珂電液控制系統有限公司國產SAC型電液控制系統。支撐高度：2.8～6.3m，支撐寬度：1660～1860mm，初撐力：7918kN(31.5MPa)工作阻力：11000kN(43.8MPa)支護強度：1.15MPa～1.21MPa，底板比壓：1.9MPa～4.5MPa，支架中心距：1750mm。

2 礦壓觀測及分析

2.1 觀測方案

為了探討222203工作面回采時的礦壓顯現規律,確定初次來壓與周期來壓的步距及強度,評價目前工作面頂板管理方式,分析支柱性能的合理性，在工作面安裝了山東尤洛卡礦業安全工程股份有限公司提供的KJ216礦用觀測設備對工作面進行礦壓觀測。工作面安裝17臺頂板壓力監測分站，其中每個端頭支架布置一臺，其他按均勻布置，分機固定安裝在支架的頂梁下面，工作面通訊電纜采用吊掛式安裝，壓力分機的1、2 壓力通道采用KJ1-10高壓油管與綜采支架的左右立柱連接，第3通道與支架平衡千斤頂或前探梁油缸連接。綜采通訊分站安裝在移變列車上，通訊分站通過一條防護式電纜與工作面壓力監測分機連接，工作面推進時通訊分站及電源、電纜隨移變列車一起移動。

測點位置位于：2號架，10號架，19號架，28號架，37號架，46號架，55號架，64號架，73號架，82號架，91號架，100號架，109號架，118號架，127號架，136號架，141號架。本次以37號架，46號架，91號架，100號架號架為例，分析222203工作面在2012年5.10～5.20期間的礦壓規律。

2.2 來壓統計

頂板來壓分析以支架每天最大(加權平均)工作阻力的平均值與其均方差之和作為判斷頂板來壓的主要指標。數據計算的公式為：

(1)

頂板來壓依據：

(2)

圖1為36#、45#、91#、100#支架每天最大(加權)工作阻力、與其對應的來壓判據及來壓情況。

圖1 工作阻力隨工作面推進距離的變化曲線

圖1的統計結果如表1所示。通過對表1的分析可知，周期來壓步距為8.5～17.5m，平均值為14.65m。其中5月11號初次來壓后，持續時間較長，直到5月13號初次來壓的影響才完全消失。很多支架出現報警。因此說明初次來壓時的壓力顯現明顯，此后周期來壓的情況則小很多。初次來壓后支架的工作阻力接近甚至超過了額定工作阻力，說明初次來壓的強度非常明顯，因此在后續工作面開采中要特別注意初次來壓的顯現情況。

表1 支架來壓步距(單位m)

2.3 來壓特點

該工作面于2012年5月10日開始正式回采，5月11日初次來壓，由圖1可以看出，此時工作面推進了11.5m，此時大約有20個支架出現了報警，達到了支架的額定阻力。說明初次來壓非常明顯。結合工作面可知片幫嚴重。同時由圖1可知，初次來壓持續時間較長，大約持續了2d，于5月13日結束。在來壓十分鐘內，支架上方出現了大量的淋水，可見頂板破斷裂縫通常在煤壁前方很近的距離。5月112日早晨，當工作面推進16 m時，地表出現第一道明顯的裂縫塌陷。

通過現場考察可知，初次塌陷時，塌陷裂縫距工作面只有10m距離，而且裂縫的產狀基本與工作面平行，也呈正南北向。羅盤測量結果表示，裂縫的傾角達到85°，說明工作面來壓時，基本屬于切頂整體冒落。隨后周期來壓期間，出現了臺階式的下沉，臺階高差最大可到1.5m。隨著工作面的推進，原先張開的裂縫逐漸縮小。

結合表1發現，工作面存在大小周期來壓現象。有的周期來壓范圍小、強度低，推進距離短，稱之為小周期來壓，平均步距8m。而有的周期來壓范圍廣、來壓強度大、持續推進的距離長，我們稱之為大周期來壓，來壓步距為16.5m左右。之所以出現大小周期現場，可能是工作面每推進一段距離，基本定就會完全斷裂，充分垮落，形成的周期

3 結論

根據現場實測數據及地表塌陷觀測，對222203工作面的礦壓顯現規律進行了研究，得到了如下的結論：

1) 初次來壓明顯，持續時間長；

2) 存在大小周期來壓，小周期來壓步距為8m左右，大周期來壓步距為16.5m左右；

3) 地表塌陷明顯，出現臺階式下城，且裂縫高差明顯，最大達1.5m。

[1] 張興陽、崔亞利。淺埋深特厚煤層綜放開采礦壓規律監測與分析[J].煤礦安全，2011,11(3):34-36.

[2] 黃慶享，錢鳴高，石平五．淺埋煤層采場老頂周期來壓結構分析[J]．煤炭學報，1999，24(6):581-285．

[3] 崔廷鋒，張東升，范鋼偉,等．淺埋煤層大采高工作面礦壓顯現規律及支架適應性[J]．煤炭科學技術，2011,39(1):25-28.

[4] 馮曉棟，任永強，范志忠．淺埋深中硬厚煤層大采高綜放開采實踐[J]．煤炭工程,2011(2):50-51.