大傾角工作面頂板礦壓觀測研究

楊曉寒， 劉喜兵

(1.汾西礦業集團水峪煤業，山西 孝義 032302；2.汾西礦業集團五人小組管理局，山西 介休 032000)

大傾角工作面頂板礦壓觀測研究

楊曉寒1， 劉喜兵2

(1.汾西礦業集團水峪煤業，山西 孝義 032302；2.汾西礦業集團五人小組管理局，山西 介休 032000)

以某礦1224大傾角工作面為研究對象，在工作面上、中、下3段各選5組支架，觀測在行進過程中支架受力及在工作面兩順槽內布置的觀測站，觀測巷道頂底板、兩幫隨著工作面的推進巷道圍巖變形。研究結果表明，該工作面傾向中部區域支架載荷最大、上部次之、下部最小，皮帶運輸巷側向支承壓力較大；在工作面上、中、下區域內來壓步距、來壓強度以及來壓順序不同，表現出時間的不同步，強度的不一致。

大傾角；礦壓觀測；巷道變形

某煤礦1224綜放工作面在生產過程中出現液壓支架傾倒、下滑嚴重，支架移架、調架困難，工作面中上部易發生漏頂、煤壁片幫等問題。這些問題嚴重影響工作面正常生產，對工作人員安全構成威脅，制約著礦井生產效益的提高。隨著后續15、16采區接替開采，煤層傾角可達到48°以上，上述問題將會更加嚴重，工作面安全高效開采難度將會更大。

1 工作面概況

1224綜放工作面隸屬于12采區，主采2#煤，煤層埋藏深度約為400 m。工作面傾斜長度為178 m～188 m(平均183.7 m)，煤層厚度為6.8 m～9.8 m(平均8.15 m)，煤層傾角為30°～39°(平均34.5°)。直接頂厚度為6.35 m，主要由泥巖和炭質泥巖組成。基本頂厚度為35.4 m，主要由中粒砂巖和粉砂巖組成。底板厚度為22.0 m，主要由粉砂巖和炭質泥巖組成。

1224綜放工作面主要巷道有，工作面回風巷、工作面切眼、工作面膠帶運輸巷和機運輔聯絡巷。工作面回風巷為矩形巷道，凈寬3.8 m，凈高3.2 m；工作面切眼為矩形斷面，斜長為187.3 m，凈寬為7.5 m，凈高為3.2 m；工作面膠帶運輸巷為矩形巷道，凈寬5.0 m，凈高3.2 m；工作面機運輔聯絡巷為矩形巷道，凈寬2.6 m，凈高2.8 m。

2 工作面礦山壓力現場觀測

通過對某煤礦1224工作面礦山壓力現場觀測，獲取大傾角煤層綜放工作面液壓支架工作阻力分布規律，工作面基本頂初次來壓、周期來壓規律，工作面超前支承壓力分布特征。

通過對現場實測數據分析，掌握工作面礦山壓力顯現的一般規律，進一步研究礦山壓力顯現的力學機制，分析工作面頂板結構特征及其與支架相互作用關系。同時，為某煤礦后續工作面及回采巷道布置方式、回采工藝選擇、設備配置提供依據[1]。

2.1 礦壓觀測的方法

2.1.1 支架壓力監測

采用工作面現有的ZFS8600/18/35D系列液壓支架SAC型電液控制系統，進行工作面液壓支架支柱壓力監測。工作面共有98套基本架，工作面每套液壓支架均裝備一套SAC型電液控制系統，沿工作面傾向選取上、中、下3個區域設為支架支柱壓力監測站。每個區域選擇5臺液壓支架為一組，進行支架支柱壓力的監測。具體分組為：工作面上部區域的94#、92#、90#、88#、86#支架為第1組；工作面中部區域的54#、52#、50#、48#、46#支架為第2組；工作面下部區域的14#、12#、10#、8#、6#支架為第3組。采用卷尺和坡度儀定期對測站內支架立柱伸縮量和傾斜角度進行測量。

2.1.2 回采巷道變形監測

采用“十字布點”法監測工作面回風巷和皮帶運輸巷頂底板移近量及兩幫移近量。在工作面回風巷、皮帶運輸巷中共安設7個測站，測站布置位置如圖1所示。回風巷中設置3個測站，編號依次為1#、2#、3#，距巷口距離分別為195、240、310 m；皮帶運輸巷中設置4個測站，編號依次為7#、6#、5#、4#，距巷口距離分別為50、80、110、150 m。

圖1 巷道表面位移測站布置

2.1.3 礦壓觀測周期

工作面礦壓觀測時間從2014年5月20日開始至2014年6月28日，歷時39 d。

2.2 工作面支架壓力特性

對所獲得的工作面上、中、下部區域測站中的液壓支架支柱壓力數據進行統計分析[2]，得出工作面上、中、下部區域支架支柱壓力隨工作面推進變化關系曲線圖(見圖2～圖4)。

圖2 工作面上部區域支架支柱壓力隨工作面推進變化

通過分析圖2～圖4以及工作面液壓支架支柱壓力監測數據，得出工作面液壓支架載荷隨工作面采動以下特征[3]：

1) 工作面支架載荷大小沿工作面傾向非對稱分布明顯，工作面傾向中部區域支架載荷最大、上部次之、下部最小。中部支柱壓力均值為27.4 MPa，上部支柱壓力均值為25.8 MPa，下部支柱壓力均值為23.8 MPa。表明，沿工作面傾向頂板結構具有非對稱性特征；工作面傾向的不同區域工作面頂板結構形成的層位不同：工作面下部區域頂板結構位于直接頂巖層中，中部區域頂板結構位于基本頂巖層中，上部區域頂板結構位于基本頂的上覆巖層中。證實了，頂板巖層中傾向砌體結構和承載拱結構的存在，并且覆巖承載拱結構沿工作面傾向具有非對稱特征。

圖3 工作面中部區域支架支柱壓力隨工作面推進變化

圖4 工作面下部區域支架支柱壓力隨工作面推進變化

2) 基本頂周期來壓沿工作面傾向不同區域呈現出不同的特征。工作面上、中、下部區域內來壓步距、來壓強度以及來壓次序不同，呈現出時間的不同步、強度的不一致。一般工作面上部來壓強度適中，步距小；中部來壓強度大，來壓步距適中；下部來壓強度小，步距大。一般來壓次序為，先上部來壓、后中部來壓、最后下部來壓。

3) 工作面傾向不同區域支架載荷非均衡明顯，工作面上部區域支架載荷不均衡性最大、中部次之、下部最小。運用數理統計學的相關知識，得出工作面不同區域支架支柱壓力的方差值分別為，上部為36.3，中部為27.3，下部為15.6。主要原因可能是，由于工作面上部區域頂板垮落高度大、頂板形成結構的巖層高，導致支架有時處于空載，有時受到大塊巖體的沖擊載荷作用(結構破壞)，所以支架受力波動性較大；而中部區域項板結構形成的層位正常，支架與圍巖之間的相互作用較穩定，所以中部支架載荷的均衡性較好；下部區域由于頂板結構形成的巖層較低，并且結構容易維持穩定，支架與頂板圍巖間相互接觸緊密，支架壓力比較穩定。

4) 工作面周期來壓明顯，大約每隔5 d來壓1次，周期來壓步距約為20 m。周期來壓時支架支柱壓力約為33.2 MPa，不來壓時支架支柱壓力為25.7 MPa，來壓強度比為1.29。

2.3 巷道表面變形特征

巷道表面位移包括巷道頂底板移近量和兩幫移近量。對某煤礦1224工作面回風巷和皮帶運輸巷巷道表面位移觀測所得數據進行處理后，得到巷道頂底板、兩幫移近量與工作面距離關系曲線圖(如圖5～圖8)。

圖5 回風巷1#測站頂底板移近量與距工作面距離曲線

圖6 回風巷1#測站兩幫移近量與距工作面距離曲線

圖7 皮帶運輸巷7#測站頂底板移近量與距工作面距離曲線

圖8 皮帶運輸巷7#測站兩幫移近量與距工作面距離曲線

通過對巷道表面位移與距工作面距離關系曲線圖進行分析發現，工作面回風巷和皮帶運輸巷巷道表面變形具有以下特征[4]：

1) 觀測期間，工作面回風巷和皮帶運輸巷各觀測斷站巷道頂底板累計移近量、兩幫累計移近量變形趨勢隨著觀測站距工作面距離的減小而呈階梯式增加。表明，測站巷道在觀測周期內受到多次工作面超前支承壓力的作用。

2) 工作面回風巷、皮帶運輸巷表面累計變形量大約每隔30 m就出現一次階梯式增加，累計變形速度(曲線的斜率)增大。表明，工作面超前支承壓力的顯著影響范圍大約位于工作面前方30 m內，此范圍內巷道變形嚴重，礦壓顯現強烈[5]。

3) 當觀測站與工作面的距離大于80 m時，巷道表面累計變形速度較小，巷道圍巖趨于穩定。表明，工作面超前支承壓力的最大影響范圍大約為工作面前方80 m。

4) 觀測期間，回風巷頂底板移近量最大為60 mm，最小為10 mm，兩幫移近量為10 mm；皮帶運輸巷頂底板移近量最大為110 mm，最小為10 mm，兩幫移近量最大為15 mm，最小為3 mm。表明，工作面超前支承壓力對頂底板的破壞作用大于對兩幫的影響；側向支承壓力對皮帶巷的影響大于對回風巷的影響。相對回風巷而言，皮帶巷受到頂板側向支承壓力大。

3 結論

通過現場觀測，獲得隨工作面推進時的支架載荷變化、巷道頂底板以及兩幫移近量。對獲得的有關數據進行處理分析，得出工作面支架載荷變化特征以及巷道表面變形特征：

1) 工作面周期來壓明顯，周期來壓步距約為20 m，來壓時支架壓力約為33.2 MPa，不來壓時支架壓力為25.7 MPa，來壓強度比為1.29。工作面前方支承壓力的影響范圍為30 m～80 m，其對工作回采巷道的顯著作用范圍在工作面前方30 m以內。工作面皮帶運輸巷側向支承壓力較大，導致皮帶運輸巷表面變形較大。基本頂周期來壓沿工作面傾向不同區域呈現出不同的特征，在工作面上、中、下區域內來壓步距、來壓強度以及來壓順序不同，表現出時間的不同步、強度的不一致。

2) 工作面支架載荷大小沿工作面傾向非對稱分布明顯，工作面傾向中部區域支架載荷最大、上部次之、下部最小。頂板結構沿工作面傾向形成非對稱承載拱結構，并在承載拱結構的下方形成傾向砌體結構，都對工作面支架起保護作用。承載拱結構承擔了其上覆巖層自重，阻止了基本頂上覆巖層對其下方砌體機構和支架傳遞力的作用；而傾向砌體結構承擔了一部分基本頂巖層自重，減小了基本頂巖層對支架傳遞力的作用。

[1] 胡國偉，靳鐘銘.大采高綜采工作面礦壓觀測及其顯現規律研究[J].太原理工大學學報,2006，37(2):20-24.

[2] 湯建泉，粟才全，李英德.現場礦壓觀測方案設計[J].煤礦開采,2008，13(1):15-17.

[3] 蘇學貴，李彥斌，田萬壽.煤礦巷道支護與礦壓觀測研究[J].太原理工大學學報,2008，39(15):87-90.

[4] 汪青倉，趙永飛.淺埋深工作面礦壓觀測[J].礦山壓力與頂板管理,2004(9):30-34.

[5] 于朝輝.紅柳煤礦軟巖巷道礦壓觀測及變形特征研究[D].西安：西安科技大學,2012.

Researchonminepressureobservationofroofinlargeinclinedangleworkingface

YANGXiaohan1,LIUXibing2

(1.ShuiyuCoalIndustryofFenxiMiningIndustryGroupCo.,Ltd.,XiaoyiShanxi032302,China;2.AdministrationofFivePeopleTeam,FenxiMiningIndustryGroupCo.,Ltd.,JiexiuShanxi032000,China)

Taking 1224 large inclinedangle working faceof a mine as research object,selecting five groups of stents in upper, middle and lower working face. In the course of travel, with support force observation andobservation station arranged in two grooved of the working face, the top andbottom sides of the roadway, and thedeformation ofsurrounding rock in roadway are observed with the advancing of the working face. The research results show that support load in central area of the working face is the largest, the upper is the second and the lower is the least.Lateral abutment pressure of belt transport laneis bigger. The different pressure interval, compressive strength and order of pressure in upper, middle and lower working surface showthe asynchrony of time, and inconsistence of the strength.

large inclined angle; mine pressure observation; roadway deformation

2017-02-20

楊曉寒，男，1985年出生，2012年畢業于太原理工大學采礦工程專業，采礦工程師。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.03.37

TD32

A

1004-7050(2017)03-0107-04

煤礦工程