大采高孤島綜采工作面礦壓顯現(xiàn)實測研究

臧立巖

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院礦井所，山西 太原030001）

受到地質(zhì)條件、回采工藝、采場布置等因素的限制，某些礦井會因跳采而留下三面均為為采空區(qū)的孤島工作面。孤島工作面與普通工作面相比，其頂板往往較破碎，頂板來壓步距短，來壓強(qiáng)度高，煤壁前方支承應(yīng)力明顯、沖擊傾向性較強(qiáng)等特點。孤島工作面的開采難度較普通工作面大幅度提升〔1－3〕。研究和掌握孤島工作面礦壓顯現(xiàn)特點，對于指導(dǎo)孤島工作面開采，提高資源回收率和安全生產(chǎn)水平，增加礦井綜合效益具有重要的意義，故孤島工作面礦壓顯現(xiàn)研究一直是煤礦開采領(lǐng)域的研究重點〔4〕。李家莊礦3302孤島工作面煤層平均厚度為3.5m，頂板圍巖條件較差，在回采過程中兩回采順槽壓力顯著，開采難度較大。為了及時掌握該工作面的礦壓顯現(xiàn)特點，指導(dǎo)該工作面安全回采，特進(jìn)行了為期3個月的現(xiàn)場實測，采集了大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，得出了3302孤島工作面來壓強(qiáng)度、來壓步距、煤壁片幫規(guī)律等礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，此項研究為指導(dǎo)該工作面的正常開采奠定了理論基礎(chǔ)，同時也為類似地質(zhì)條件下的孤島工作面開采提供了一定的實踐經(jīng)驗。

1 工作面概況

3302工作面位于李家莊礦礦井東翼三采區(qū)，其北部和南部分別為已經(jīng)回采結(jié)束的3301工作面和3303工作面，西部為軌道下山、回風(fēng)下山和皮帶下山3條下山巷道，東部為二采區(qū)3202和3203工作面采空區(qū)。該工作面屬于孤島工作面開采。3302工作面所采煤層為山西組3＃煤層，煤層埋深為305～325m，平均埋深為312m；煤層傾角為9°～15°，平均傾角為8°；煤層厚度為2.8～4.2m，平均為3.5m；屬于穩(wěn)定可采近水平厚煤層。工作面按走向布置，其傾斜長度為132m，走向長度為354m，共布置88臺ZY－4000／17／37型掩護(hù)式液壓支架進(jìn)行采場支護(hù)，支架額定初撐力為3090kN。工作面直接頂為厚6.5～8.4m的炭質(zhì)泥巖－泥巖，觀測發(fā)現(xiàn)直接頂裂隙及其發(fā)育且較為軟弱；基本頂為厚4.2～8.6m的砂質(zhì)泥巖－粗粒砂巖－粉砂巖，粗粒砂巖和粉砂巖具有很高的致密性，保證了基本頂?shù)膹?qiáng)度；直接底為厚1.3～2.5m的炭質(zhì)泥巖－泥巖，巖層水理作用明顯，遇水易膨脹；基本底為厚3.2～4.1m的粗粒砂巖，致密性較好。工作面采用“U”型通風(fēng)方式。風(fēng)、機(jī)兩巷留設(shè)煤柱寬度分別為15m和9m，風(fēng)、機(jī)兩巷斷面（寬×高）均為4200mm×3700mm，兩巷支護(hù)方式均為“錨網(wǎng)索鋼帶”聯(lián)合支護(hù)，頂板錨桿間排距為0.8m×0.85m，兩幫錨桿間排距為0.8m×0.8m，頂板和兩幫錨索間排距均為1.6m×1.6m。

2 礦壓觀測方案的確定

2.1 觀測內(nèi)容

（1）支架載荷：支架載荷變化是工作面采場頂板壓力變化的直接反映。通過對支架載荷變化規(guī)律的掌握可以得知頂板來壓強(qiáng)度、來壓步距、來壓持續(xù)時間等礦壓顯現(xiàn)特點，故以支架為研究對象進(jìn)行支架工作阻力變化情況進(jìn)行實測。

（2）宏觀特點：煤壁片幫、支架活柱下縮、頂板冒漏等情況為采場來壓的直接表現(xiàn)形式，掌握這些來壓現(xiàn)象對于完善工作面礦壓規(guī)律，指導(dǎo)工作面開采具有重要意義。

2.2 觀測方案

為了掌握工作面來壓情況，將工作面均勻劃分為上、中、下三個測區(qū)，每個測區(qū)布置兩條側(cè)線，測線對應(yīng)的支架分別為13＃、14＃、44＃、45＃、74＃和75＃。同時在對應(yīng)的支架上安裝YHY60型礦用本質(zhì)安全型壓力監(jiān)測儀，該壓力監(jiān)測儀可以實時記錄支架工作變化情況，并可通過數(shù)據(jù)采集器或者傳輸線將監(jiān)測所得數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，觀測方案布置見圖1。

3 礦壓觀測結(jié)果分析

圖1 3302孤島工作面礦壓觀測方案布置示意

3.1 頂板垮落特征

（1）直接頂垮落特征：從工作面開切眼開始推進(jìn)，液壓支架工作阻力變化較小，煤壁片幫程度較輕，且均勻。當(dāng)工作面推至距離開切眼12.5m時，工作面中部直接頂首先開始垮落；當(dāng)推至14.8m時，兩端直接頂逐漸開始跨落；當(dāng)推進(jìn)距離開切眼16m時，直接頂全部垮落。由壓力監(jiān)測儀所得數(shù)據(jù)，直接頂破斷期間，支架平均工作阻力為2858kN，最大工作阻力為3080kN，增載系數(shù)為1.23。在工作面直接頂垮落期間，煤壁片幫明顯加劇，架間煤巖塵量明顯增多，且支架頂梁上方有頂板破斷聲。

（2）基本頂垮落特征：工作面直接頂垮落后，隨著工作面的不斷推進(jìn)，當(dāng)推至距開切眼28.7m時工作面中部基本頂開始垮落；當(dāng)推至距開切眼32m時基本頂基本垮落完畢。由此可知，3302工作面初次垮落步距為28.7～32 m。在基本頂垮落期間，支架工作阻力明顯增大，且載荷變大呈現(xiàn)出一定的持續(xù)性，說明工作面處于來壓期間。由于壓力的存在，煤壁有片幫發(fā)生，變?yōu)檫B續(xù)性的不規(guī)則破壞，同時，部分支架前梁頭有小范圍頂板冒漏現(xiàn)象。由支架工作阻力實測數(shù)據(jù)可知，來壓期間支架平均工作阻力為3465 kN，來壓前為2654kN，增載系數(shù)為1.3。隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，支架工作阻力出現(xiàn)了周期性變化，其中在距離開切眼40m、52m、64m、73m、84m等位置處出現(xiàn)工作阻力峰值點，由此判斷在此位置出現(xiàn)頂板來壓。3302孤島工作面周期來壓特征見表1。

表1 3302孤島工作面前五次周期來壓頂板壓力特征

3.2 支架工作阻力特征分析

表2為壓力監(jiān)測儀對采場支架記錄和采集數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。由表2可知，液壓支架平均載荷為2543～2754 kN，平均載荷為2627.6kN，約為額定工作阻力的65.7%；最大載荷為3985～4096kN，平均為4038.6kN，約為額定工作阻力的100.9%；初撐力為1724～1802kN，平均為1763.3kN，不到額定初撐力的60%。分析數(shù)據(jù)得出，實際工作面初撐力相對較低，整個支架載荷也不高，通過現(xiàn)場觀測和分析發(fā)現(xiàn)，這是由于在較短的時間內(nèi)進(jìn)行了升架，及時進(jìn)行了有效支撐。

表2 3302孤島工作面液壓支架實際工作載荷分析

通過對礦山壓力監(jiān)測儀采集的數(shù)據(jù)和支架載荷的分布規(guī)律進(jìn)行研究分析，可以得出液壓支架工作阻力主要分布在2000～3500kN范圍內(nèi)，約占統(tǒng)計循環(huán)數(shù)的75%；分布在0～1000kN范圍內(nèi)的工作阻力約占統(tǒng)計循環(huán)數(shù)的3.5%；而在1000～2000kN的區(qū)間范圍內(nèi)的工作阻力占統(tǒng)計循環(huán)數(shù)的12.4%；還有一部分占統(tǒng)計循環(huán)數(shù)的8.3%，其主要分布在3500～4000kN范圍；而最終超出額定工作阻力的約占統(tǒng)計循環(huán)數(shù)的0.8%。綜上可以得出，大部分支架工作阻力在要求范圍以內(nèi)，可以滿足工作面對支架的要求。

3.3 宏觀觀測

通過現(xiàn)場宏觀觀測，掌握了3302工作面煤壁片幫、架后懸頂、支架活柱下縮量等特點。該工作面在正常回采期間，煤壁較完整，但在頂板來壓時煤壁出現(xiàn)連續(xù)不同程度的片幫。工作面在推進(jìn)過程中直接頂基本隨采隨冒，基本頂垮落呈現(xiàn)出周期性。工作面支架在來壓與非來壓期間，支架活柱下縮量變化并不明顯，85%以上的支架下縮在0～6mm之間。工作面兩順槽在回采期間變形較明顯，距工作面煤壁8～12m范圍內(nèi)巷道圍巖變形更為劇烈，尤其是底臌量可達(dá)45～70mm，治理底臌是保證工作面安全開采的重點。

3 結(jié)語

通過對3302孤島工作面礦壓實測：

1）工作面直接頂垮落步距為16m，來壓期間增載系數(shù)為1.23；基本頂初次垮落步距為32m，增載系數(shù)為1.3；工作面周期來壓步距為8～12m，平均為10.4m，來壓時支架平均載荷為3755kN，平均增載系數(shù)為1.42。由此可知，孤島工作面較普通工作面來壓步距偏短，來壓強(qiáng)度偏大。

2）工作面支架最大載荷和平均載荷為4038.6kN和2627.6kN，分別為額定工作阻力的100.9%和65.7%；平均初撐力為1763.3kN，占額定初撐力的57.1%。支架載荷主要集中在2000～3500kN的范圍，大約占統(tǒng)計循環(huán)數(shù)的3／4，而超過額定工作阻力的僅占0.8%，支架可以有效對工作面進(jìn)行支撐，但也要加強(qiáng)各方面的管理。

3）煤壁片幫和底臌對工作面開采有重要影響，要結(jié)合工作面實際情況采取相應(yīng)的措施對煤壁和底板進(jìn)行控制。

〔1〕吉敦云.孤島工作面礦壓顯現(xiàn)實測規(guī)律研究〔J〕.能源與節(jié)能，2014，（10）：142－143.

〔2〕陰寧寶，楊銳明.“孤島”綜放工作面礦壓顯現(xiàn)與控制〔J〕.煤，2005，（1）：3－05.

〔3〕李洪彪.趙莊礦松軟煤層大采高工作面礦壓規(guī)律及圍巖控制研究〔D〕.太原：太原理工大學(xué)，2012.

〔4〕趙小屯，連國明.超長工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究〔J〕.能源技術(shù)與管理，2012，（5）：30－31.