深部開采工作面礦壓監測方法及監測設備適用性研究

劉志剛， 汪 棟， 李錦秀

(1.山東能源淄礦集團唐口煤業， 山東 濟寧 272055； 2.山東煤炭技術學院， 山東 淄博 255120)

頂板管理是采煤工作面回采工藝的關鍵問題[1]，通過眾多科研學者和現場工程技術人員的不懈努力，多數情況下的頂板均取得了較好控制效果.隨著近幾年深部礦井的建設和生產，很多異于常規礦壓規律的現場問題逐步顯現[2]，原有頂板控制技術在這類條件下顯得不盡人意.為了更好的了解工作面壓力顯現情況，達到掌握頂板活動規律，及時預報頂板來壓變化，加強工作面頂板管理的目的[3]，需要對深部礦井礦壓規律進行觀測研究.

礦山壓力監測技術內容包括工作面綜采支架工作壓力，兩順槽巷道圍巖和頂板壓力、位移變形等基本參數的監測[4].礦壓監測的意義主要體現在以下幾個方面[4]：(1)實時在線監測可以便于技術人員、生產管理人員實時了解當前井下工作面的支護質量、工況、動力災害顯現預警等信息；(2)工程技術人員與管理人員利用這些監測數據對頂板來壓規律、圍巖頂板變形規律、動力災害顯現規律等開展災害預測預報；(3)建立監測數據信息檔案，為工程技術管理與學術研究積累經驗[1].本文主要結合某礦5302輔助工作面礦壓監測相關信息及設備使用情況，對深部煤層回采工作面壓力異常區域礦壓規律及礦壓監測設備的現場適用性進行初步研究.

1 工作面概況

5302輔助工作面煤層底板標高-958.2m～-895.3m，工作面膠帶順槽與南部膠帶大巷相連，軌道順槽與5302第一聯絡巷相連；西北為5302工作面里段采空區，東北115m為5301工作面采空區，東南為南部大巷保護煤柱，西南部為未開拓的實碳區.工作面回采煤層為3上煤，黑色，條痕黑褐色，以亮煤為主，暗煤次之，屬于半亮型煤，油脂～玻璃光澤，階梯狀斷口.該煤種屬氣煤，其硬度為2～3.根據巷道實際揭露資料，該工作面3上煤層沉積較穩定，全部可采，厚度在2.80～5.50m之間，平均厚4.71m.5302輔助工作面傾斜長度80m，走向可采長度785m，該工作面上方沒有可采煤層，下方3下煤全部沖刷或沉缺.所回采的3上煤層傾角在0°～15°之間，平均傾角6°，傾向70°左右.

工作面支護選用48架ZY10000/26/55型掩護式液壓支架，支護強度1.14～1.22MPa，工作面最小控頂距為4247mm，最大控頂距為5047mm.通過理論計算，結合同采區5301工作面支架使用情況，可知該支架能夠滿足工作面頂板管理支護強度需要.軌道順槽與皮帶順槽超前支護長度60m，采用DW4.5-200/110XL型單體液壓支柱配合鉸接頂梁進行支護.

2 監測儀器選用及安裝

為了準確摸清工作面礦壓分布規律及變化規律，有效監測工作面支架荷載、順槽巷道頂板離層及工作面前方煤巖應力情況，本工作面計劃選用下述監測系統開展監測工作[5-6].

2.1 工作面支架載荷監測設備

采用KJ216型綜采支架工作阻力在線監測系統自動監測工作面支架載荷，在線監測系統實時對實施監測的支架前、后柱進行載荷監測，監測數據自動傳輸到地面各終端供技術人員分析處理.工作面液壓支架共安設7臺監測分機，并將工作面劃分為3個監測區，其中2#、8#支架為上部監測區，16#、24#、32#支架為中部監測區，40#、48#支架為下部監測區.根據支架在線監測系統監測數據規律對工作面頂板來壓情況進行全面預報分析.

2.2 順槽巷道頂板離層監測設備

在順槽巷道預計會出現較大離層的區域安裝KJ216型頂板離層監測系統，共安設2臺頂板離層儀(淺基點深度4m，深基點深度9m)，第1臺編號61#，位于軌道順槽距面100m處頂板中，第2臺編號62#，位于5302-2斷層向面30m處頂板中.利用頂板離層報警系統觀測軌道順槽巷道頂板變化情況，并將監測結果通過在線監測系統傳輸至地面終端進行分析處理.

2.3 煤巖應力監測設備

根據5302輔助工作面的特點及構造特征，選用KJ550在線監測系統布置情況，壓力傳感器在兩順槽內自切眼前方40米開始布置，每25m一組，每組兩個，埋設深度分別為10m、15m，每組兩個測點間距1m.具體布置方案如圖1所示.

圖1 工作面應力計位置示意圖

根據5301工作面推采時KJ550在線監測預警值設置情況，5302輔助工作面的初始預警值設置見表1.

表1 初始預警值設置

3 監測結果分析

運用各系統對5302輔助工作面進行了詳細礦壓監測，得到了大量現場監測數據.工作面2013年1月25日前后有一次壓力異常現象，現對5302輔助工作面回采期間異常動力顯現期間各系統監測情況開展初步分析研究.

3.1 工作面支架載荷監測數據分析

此次異常動力現象期間，工作面KJ216型綜采支架工作阻力在線監測系統多個測點監測到支架壓力水平較高的情況，此處列舉幾個較為特殊的支架作為分析實例.

圖2至圖4為工作面1月22日至1月31日8#、24#、32#支架工作阻力情況.通過分析上述支架壓力曲線可知，5302輔助工作面綜采支架工作阻力值普遍較高，個別支架工作阻力甚至一度達到40MPa，說明工作面位置頂板壓力較大，支架整體受力水平較高.

圖28#支架1月21日至28日工作阻力曲線

圖324#支架1月21日至28日工作阻力曲線

圖432#支架1月21日至28日工作阻力曲線

通過上述分析可知，異常動壓顯現期間，工作面并非處于周期來壓階段，而是處于異常來壓階段，頂板的異常來壓是此次動壓顯現的重要誘發因素之一.

3.2 順槽巷道頂板離層監測數據分析

5302輔助工作面2013年1月25日前后壓力異常期間，工作面距離61#頂板離層儀50m左右，距離62#頂板離層儀130m左右.圖5、圖6為前后兩臺頂板離層儀數據曲線，從圖中可以看出62#在異常來壓期間提出頂板離層報警(報警值100mm)，現場勘查顯示頂板有較大下沉量.

圖561#頂板離層儀數據曲線圖

圖662#頂板離層儀數據曲線圖

3.3 煤巖應力監測數據分析

5302輔助工作面壓力異常期間，應力在線系統在壓力異常的相應位置監測到紅色預警，經煤粉檢測人員現場施工煤粉鉆，檢測到煤粉量均超標，鉆屑法校驗了應力在線監測系統的監測效果.

圖7為1月20日當天軌順內應力在線監測系統顯示的異常應力云圖，第9測組深孔應力較高，顯示紅色預警.

圖8為1月13日開始，距工作面135m的軌順第9測組應力變化曲線圖.其中深孔(15m深)應力從1月13日開始顯著上升；1月21日，當距工作面26m時，第9測組深孔應力達到峰值，約18MPa；解危工程實施之后煤體應力又逐漸降低.上述情況可看出工作面前方煤體因受采動應力影響處于較高應力水平.

圖7 1月20日軌順應力在線監測異常云圖

圖8軌順應力在線監測第九組應力曲線圖

4 采場兩巷道解危卸壓工程情況

依靠監測系統監測結果及現場工程技術人員分析，決定在5302輔助工作面采用大直徑鉆孔卸壓、爆破解危、煤層注水卸壓等方法對壓力異常區域進行解危卸壓，并取得良好效果.

4.1 大直徑鉆孔卸壓

1月21至2月2日，在5302軌道順槽應力集中區施工大直徑卸壓鉆孔45個，其中生產幫39個，非生產幫6個，鉆孔間距2～3m，鉆孔深度大于15m.大直徑鉆孔施工過程中煤炮頻繁，鉆孔排粉量大，有嚴重吸鉆、卡鉆現象，每班僅能施工1個大直徑鉆孔.

4.2 爆破解危

1月21日至1月28日，對監測到煤粉量超標的部分鉆孔進行了爆破解危，共爆破12個鉆孔，其中軌道順槽生產幫爆破10個鉆孔，5302皮帶順槽爆破2個鉆孔，以爆破解危后，煤粉量不再超標，解危效果比較明顯.

4.3 煤層注水卸壓

截止2月2日，5302輔助工作面共施工注水鉆孔16個，共計注水670m3，煤層注水對于改善煤層力場分布，軟化煤層，降低應力集中起到積極作用.

5 結束語

(1)根據工作面現場情況預估工作面壓力分布范圍，并按照實際需要合理選用監測系統.

(2)運用各系統對工作面各項參數進行監測，各系統均在工作面壓力異常期間顯示預警，可見各系統運行情況良好，而且對于異常情況能夠及時作出反應.

(3)運用各監測系統基本摸清了該工作面的超前應力分布規律，支架載荷最大時達到40MPa以上，巷道超前支護段頂板離層量達到200mm以上，超前應力最高值達到18MPa左右.

(4)根據監測系統對工作面的監測結果及現場情況，及時在壓力異常期間采取了大直徑鉆孔卸壓、爆破解危、煤層注水卸壓等解危卸壓措施，對高應力的深部轉移及保護作業空間安全起到積極效果.

(5)各系統運行情況表明，在深部煤層回采工作面礦壓規律研究、災害預測預報及指導現場工程的設備適用性良好，可以滿足相關需求.

(6)通過對監測結果的分析，可以為本礦井相似工作面超前支護的設計提供一定參考，有效避免災害的發生.

[1]宋振騏.實用礦山壓力控制[M].徐州:中國礦業大學出版社,1988.

[2]耿獻文.礦山壓力測控技術[M].徐州:中國礦業大學出版社,2002.

[3]陳炎光，錢鳴高.中國煤礦采場圍巖控制[M].徐州:中國礦業大學出版社,1994.

[4]鄒德蘊,劉志剛,姚樹陽.采場礦壓監測與數據信息融合技術應用研究[J].煤炭科學技術,2011(08):14-18.

[5]劉志剛,鄒德蘊,李錦秀,等. KDZD型沖擊地壓聲發射信號監測系統及應用[J].煤,2011(03):19-21.

[6]劉志剛.基于聲發射原理的沖擊地壓監測裝備研究及應用[D].青島：山東科技大學,2011.