鳳凰山煤礦15號煤南翼首采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

宋強軍

（山西晉煤集團 鳳凰山煤礦，山西 晉城 048007）

員 工程概況

鳳凰山煤礦3號煤層和9號煤層資源基本枯竭，礦井現(xiàn)在主采15號煤層。根據(jù)地質(zhì)報告，15號煤層直接頂為K2石灰?guī)r，厚度8.99～9.22 m、平均9.11 m左右，深灰色，致密堅硬，含燧石及動物化石，全區(qū)穩(wěn)定。根據(jù)現(xiàn)場圍巖強度測試表明：石灰?guī)r強度大多在80～120 MPa之間、平均106.9 MPa，屬于堅硬頂板[1-2]。開采中大面積來壓時對支架有沖擊，且初次來壓和周期來壓步距較大，礦壓顯現(xiàn)很明顯。因此為了安全開采，防止在初采中形成大面積懸頂、礦壓顯現(xiàn)壓垮工作面，采取了超前深孔預裂爆破的方法處理堅硬頂板。

XV1304綜采面為15號煤南翼首采面，采用全部垮落后退式綜合機械化采煤法，工作面長180 m，平均煤厚為2.25 m，傾角平均2°。工作面布置兩條順槽，采用一進一回通風方式，巷道參數(shù)：兩條巷道的凈寬×凈高=4 300 mm×2 400 mm，支護方式均為錨桿支護，錨索、鋼筋梯梁補強支護。工作面液壓支架布置形式：采用兩架ZT16000-16/30型端頭支架支護端頭頂板，ZZ80000-17/32型支架118架支護工作面頂板，兩順槽超前20 m采用單體液壓戴帽點柱加強支護。

圓 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

1）監(jiān)測及分析內(nèi)容。①支架工作阻力：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壓力特征[3-7]；分析頂板活動狀況及支護阻力變化規(guī)律；分析現(xiàn)行實際支架阻力分布狀態(tài)，支架額定工作阻力是否滿足頂板支護要求。②支承壓力分布：支承壓力是工作面礦壓的重要組分，對采場礦壓分析至關重要，觀測和分析工作面支承壓力進行對于掌握支承壓力演化規(guī)律、分布規(guī)律、影響范圍、峰值位置等關鍵參數(shù)有著重要意義，能為煤柱留設、巷道支護提供依據(jù)。③回采巷道變形：通過回采巷道變形觀測反映其所受采動影響，掌握厚層頂板面回采對回采巷道變形的影響、巷道圍巖變形及移動的基本規(guī)律，以便確定煤壁前方支承壓力影響范圍、巷道變形階段分區(qū)等，從而為選擇合理巷道支護方式、提高巷道支護效果，保證安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

2）礦壓監(jiān)測方案。①工作面監(jiān)測：采用本安型數(shù)字壓力計對頂板壓力監(jiān)測，布置三個測區(qū)，布置在工作面上部（9號、21號架），中部（31號、41號、51號、61號、71號、81號架），下部（101號、113號架），見圖1。②超前支承壓力監(jiān)測：在工作面回風巷內(nèi)超前工作面切眼150 m處，布置10根單體柱，支柱間距1 m，共安裝10個單體支柱壓力記錄儀，對工作面超前支柱壓力進行連續(xù)監(jiān)測。③側(cè)向支承壓力監(jiān)測：在工作面軌道巷（1208巷）距工作面切眼100 m處，工作面?zhèn)葞筒贾?個鉆孔應力計，鉆孔間距10 m，鉆孔深度10 m進行超前支承壓力的進一步觀測；在巷道煤柱側(cè)幫布置5個鉆孔應力計，鉆孔間距5 m，鉆孔安裝深度3 m、6 m、9 m、12 m和15 m以進行側(cè)向支承壓力的監(jiān)測，見圖2。④巷道圍巖變形監(jiān)測：采用“十”字布點法安設表面位移監(jiān)測斷面，為保證數(shù)據(jù)的可靠性，從工作面回風巷中超前工作面切眼100 m處開始，每間隔10 m布置1組巷道表面位移觀測點，共布置10組測點觀測，見圖3；監(jiān)測斷面內(nèi)的兩幫及頂板用紅漆在錨桿托盤上做標記。

圖1 工作面數(shù)字壓力計布置示意圖

圖3 巷道變形測點布置示意圖

3）礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。①工作面頂板來壓特征分析：支架末阻力是每個循環(huán)結(jié)束后的最終工作阻力，往往是在該循環(huán)內(nèi)增大到最后的最大值，反映支架結(jié)束后的阻力大小。對支架末阻力分析有利于弄清支架阻力隨工作面推進的發(fā)展規(guī)律，以進一步掌握工作面頂板的破斷規(guī)律和支架在“支架-頂板”系統(tǒng)中的適應能力。根據(jù)工作面初采階段的支架末阻力曲線及頻度分布看出，剛開始回采時，支架末阻力普遍偏小，隨著向前推進，工作面頂板初次垮落，工作面下部支架由于機尾處頂板放炮的影響，導致頂板完整性差，頂板隨機垮落現(xiàn)象明顯；當工作面機尾處推進至約16.2 m時，工作面下部支架末阻力大幅度增高，之后支架末阻力曲線起伏波動較大，其中尤以113號支架最為明顯。綜合31號-81號支架末阻力曲線看出，當工作面中部推進至約19.2 m時，頂板初次垮落，支架末阻力曲線明顯增高，末阻力最大值可達7457.5 kN；還可看出，頂板的初次來壓時間較長，支架末阻力維持在相對較高水平；當工作面機頭推進至約25.1 m時，工作面上部頂板開始垮落，支架末阻力有大幅度增高，其中21號支架末阻力最大值達6 810.86 kN左右。將7.0 m切眼寬度考慮在內(nèi)，則可初步判斷：工作面頂板初次來壓步距平均28.97 m，（其中上部 32.1 m、中部 26.2 m、下部 23.2 m），表現(xiàn)出了下部最小、中部次之、上部最大的分布特征。按上類似分析得出：工作面老頂周期來壓步距平均15 m左右，來壓期間工作面支架最大工作阻力7 000 kN左右。②工作面超前支承壓力分析：根據(jù)圖4超前單體柱支護阻力曲線得出，當工作面距超前單體柱距離較遠時，提前布置妥的單體柱支護阻力基本沒有變化，（大致保持17 MPa）；當工作面推進至距超前單體柱約16 m時，單體柱支護阻力開始增大，隨后隨著工作面推進，單體柱支護阻力逐漸增大，但值增加緩慢；當工作面推進至距單體柱約8 m處，阻力曲線出現(xiàn)拐點，斜率增大，增大速度明顯加大；當工作面推進至距單體柱約3 m時，單體柱阻力值達到最大值約38 MPa，其后隨著工作面與單體柱間距縮小，單體柱支護阻力會出現(xiàn)微小降低。③工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ治觯焊鶕?jù)圖5看出，工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ挠绊懛秶s14.90 m，考慮到下一工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ挠绊懀瑢?cè)向煤柱寬度取為工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊懛秶?倍較合適，故選工作面?zhèn)认蛎褐暮侠砹粼O寬度30 m左右。④巷道圍巖變形量觀測數(shù)據(jù)分析：根據(jù)圖6得出，工作面回采巷道整體變形及其變形速度不大，可按測點距工作面的距離將工作面前方20 m以外范圍劃分為無明顯變形區(qū)，工作面前方13～20 m范圍劃分為初始變形區(qū)，工作面前方5～13 m范圍劃分為緩慢變形區(qū)，工作面前方5 m范圍內(nèi)劃分為劇烈變形區(qū)。由此看出，工作面回采巷道變形規(guī)律具有變形值小、變形加劇區(qū)域范圍小的特點，這與工作面超前支承壓力影響范圍小、峰值不大、應力范圍小的特點基本保持一致。

圖4 單體柱支護阻力曲線

圖5 工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ植记€

圖6 測點巷道表面位移曲線

3 結(jié) 論

①XV1304綜采工作面老頂初次來壓與周期來壓沿工作面方向不是同時來壓，而是呈現(xiàn)分段局部來壓、遷移特征。②工作面厚層頂板弱化處理后，工作面頂板初次來壓步距平均28.97 m，上部32.1 m、中部26.2 m、下部23.2 m，現(xiàn)出下部最小、中部次之、上部最大的分布特征。來壓期間支架最大工作阻力7 457.5 kN。工作面老頂周期來壓步距平均15 m左右，來壓期間工作面支架最大工作阻力為7 000 kN左右。③觀測期內(nèi)工作面液壓支架工況良好，沒有出現(xiàn)折損現(xiàn)象，供液系統(tǒng)正常，支架初撐力和工作阻力滿足工作面頂板支護要求，沒有出現(xiàn)大馬拉小車現(xiàn)象。④工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ挠绊懛秶s14.9 m，考慮到下一工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ挠绊懀ぷ髅鎮(zhèn)认蛎褐暮侠砹粼O寬度30 m。⑤根據(jù)工作面兩順槽超前支護段頂板壓力影響范圍及單體柱工作阻力監(jiān)測情況，得出，超前20 m對巷道頂板進行加強支護滿足現(xiàn)場支護需求。

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