沿空留巷綜采工作面礦壓顯現規律研究

趙 森

(晉城煤業集團沁秀公司坪上煤業，山西 晉城 048203)

1 XV4307工作面概況及地質情況

1.1 工作面概況

晉城煤業集團鳳凰山礦XV4307工作面采掘情況:東為三水平四盤區回風巷、皮帶巷及軌道巷(均已掘)，南為154309工作面，西為礦界，北為154305工作面(已采)。上覆9#煤為95311、95313工作面及小窯采空區。

工作面所采煤層為15#煤，一次采全高，工作面傾斜長176.4 m，走向長度783.4 m，煤層厚度1.70 ～3.10 m，平均厚度2.13 m。工作面布置3條順槽，采用二進一回通風方式，支護方式均為錨桿支護，錨索、鋼帶補強支護，并且為了防止在開采過程中形成大面積懸頂，礦壓顯現壓垮工作面，該工作面采取了超前深孔預裂爆破的方法。

1.2 地質情況

蓋山厚度:工作面地面標高為790.9～826.5 m，工作面標高為577～663 m。蓋山厚度為160～252 m，平均200 m。

煤層構造特征:煤層為15#煤層，黑色，亮煤為主，團塊狀，含1層0.45 m較穩定厚夾矸。煤層普氏硬度2～4，夾矸普氏硬度1～2，煤層傾角0～18°，平均傾角6°，煤體容重1.5 t/m3。該工作面由一向斜和一背斜組成，其中背斜軸向N7°E，傾伏SE，兩翼傾角0°～6°，平均4°;向斜軸向 N12°W，傾伏 NW，兩翼傾角0°～25°，平均8°，對回采有一定影響。

1.3 采煤方法

該工作面采用傾斜長壁一次采全高后退式綜合機械化采煤法。軌道巷采用混凝土膏體材料充填沿空留巷，其余采空區頂板采用自然垮落法管理。

1.4 頂板管理

工作面支架布置形式:本工作面采用2架ZT16000—16/30型端頭支架支護端頭頂板，采用ZZ8000－17/32型支架116架支護工作面頂板，采用ZT9500/20/30型端頭支架支護沿空留巷端頭。

2 礦壓觀測內容

2.1 工作面

觀測工作面綜采支架工作阻力隨工作面推進的變化，分析工作面直接頂(老頂)初次垮落步距、老頂初次來壓及周期來壓的特征、顯現程度、動載系數;分析頂板活動狀況及支護阻力變化規律;分析斷層構造對采場礦壓顯現的影響規律;分析現行實際支架阻力分布狀態，包括支架工作阻力、初撐力是否滿足頂板支護要求等，為現有支架適應性分析提供科學的現場實測依據。

2.2 沿空留巷

巷道表面位移、圍巖深部位移、巷道頂板壓力觀測、充填墻體受力觀測。

3 觀測儀器布置方式

3.1 工作面觀測儀器布置

工作面礦壓觀測采用KJ216綜采工作面頂板動態實時在線監測計算機系統，工作面布置3個測區，分別布置在工作面上部、中部、下部，見圖1。

圖1 KJ216頂板動態監測系統設備布置圖

3.2 沿空留巷儀器布置

3.2.1 綜合測站

在工作面后方采空區0～320 m范圍內每隔20 m布置1個巷道表面位移測點(共布置16個)，其中:每隔60 m布置1個綜合測站(共布置5個)，見圖2。

3.2.2 綜合測站觀測方法

1)表面位移觀測方法:首先觀測AO的頂板下沉量，然后觀測OB的底板底鼓量，再觀測CO的煤體幫變形量，最后觀測CD墻體幫變形量，見圖3。

2)巷道頂板壓力觀測:在沿空留巷320 m處布置單體連續監測記錄儀，對留巷頂板壓力進行監測，見圖4。

圖2 XV4307工作面沿空留巷測站布置圖

4 礦壓觀測數據分析

4.1 工作面

通過礦壓觀測數據分析，工作面直接頂(老頂)斷裂后，斷裂巖塊A、B、C之間相互擠壓、支撐可以形成暫時的力學平衡結構，此結構隨著工作面的推進周期性平衡－失穩－再平衡。在此過程中，斷裂后的B巖塊將逐步發生下沉運動，在下沉過程中受A、C巖塊的水平擠壓和工作面支架的支撐，在工作面回采周期內可達到暫時的平衡，直至接觸采空區矸石。該結構周期性的變化會對工作面支架形成載荷，見圖5。

圖5 上覆巖層活動模型示意圖

4.1.1 支架工作阻力隨工作面推進距離變化關系

實測工作面支架工作阻力隨工作面推進距離變化，XV4307工作面直接頂(老頂)初次來壓及前5次周期來壓情況見表1。

表1 頂板來壓步距及強度數據整理表

4.1.2 頂底板移近量

現場觀測表明，工作面割煤循環內沒有出現底鼓現象，因此，可用頂板下沉量表示頂底板移近量，見圖6。

圖6 工作面頂板移近量曲線圖

從圖6可以看出，工作面(循環)頂板下沉量最小為61 mm，最大為82.2 mm，平均73.72 mm。

4.2 沿空留巷

巷道表面位移觀測數據統計見表2。

根據沿空留巷安裝的KBJ60－Ⅲ單體連續記錄儀監測數據統計分析表明，沿空留巷160 m處煤體側單體最大工作阻力114 kN，巷道中間單體最大工作阻力288.32 kN，巷道墻體側單體最大工作阻力266 kN，說明煤柱側、墻體側單體支撐效果不明顯，主要原因是:由于巷道底板松軟單體鉆底嚴重，使得單體支撐效果不明顯。沿空留巷320 m處單體采用穿柱鞋以后，巷道中間單體最大工作阻力達到268.28 kN，墻體側單體最大工作阻力達到567.72 kN，表明單體使用柱鞋后，支護強度明顯提高。

表2 巷道表面位移變化速度統計表

5 老頂來壓規律

5.1 老頂初次來壓步距

根據工作面支架工作阻力監測數據分析，工作面老頂初次來壓步距為30.1 m，影響時間42 h，影響范圍5.45 m，來壓期間支架最大工作阻力為6700 kN，動載系數 1.77。

5.2 老頂周期來壓步距

1)根據工作面支架工作阻力監測數據分析，工作面平均周期來壓步距13.92 m，影響時間10.02 h，影響范圍1.7 m，來壓期間支架最大平均工作阻力為6576.02 kN，動載系數1.27。

2)老頂周期來壓時，工作面機頭1#～10#架懸頂2～8 m，中部20#～100#架懸頂1.5～6 m 左右，機尾至105#架懸頂2～6 m，見圖7。

圖7 工作面懸頂觀測剖面圖

6 結論

1)XV4308綜采工作面無論是老頂初次來壓，還是老頂周期性來壓，沿工作面方向并不是同時來壓，而是呈現分段局部來壓、遷移特征。

2)工作面巨厚頂板弱化處理后，老頂初次來壓步距平均30.1 m，影響時間42 h，影響范圍5.45 m，來壓期間支架最大工作阻力為6700 kN，非來壓期間支架工作阻力3785 kN，動載系數1.77。

3)工作面周期來壓步距平均13.92 m，影響時間平均10.02 h，影響范圍平均1.7 m，來壓期間支架最大平均工作阻力為6576.02 kN，非周期來壓期間支架平均工作阻力 5201.23 kN，支架動載系數平均 1.27。

4)觀測期內，工作面液壓支架工況良好，支架各部件沒有出現折損現象，供液系統正常，支架初撐和工作阻力滿足工作面頂板支護要求，沒有出現大馬拉小車現象。

5)沿空留巷在巷道底板松軟的情況下，必須采用穿柱鞋的方法來增大單體柱底的承壓面積，使得單體承壓強度得到有效提高，這樣才能確保對巷道頂板的有效支護，減輕墻體充填初期及在養護期間，受頂板壓力的影響，保證墻體在凝固期間的強度，使墻體整體穩定性和完好性得到了提升。

［1］陳炎光，陸土良.中國煤礦巷道圍巖控制［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1994:133－135.

［2］錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2003:97－99.