不同覆巖條件下采煤工作面礦壓顯現規律

李 晉(西山煤電集團公司 官地礦，山西 太原 030000)

不同覆巖條件下采煤工作面礦壓顯現規律

李 晉
(西山煤電集團公司 官地礦，山西 太原 030000)

以某礦首采工作面71312工作面為背景，研究該工作面不同覆巖條件下礦壓顯現規律。不同塊段含水層載荷傳遞作用的不同導致了工作面覆巖結構特征的差異，使得不同覆巖破斷特征條件下工作面礦壓顯現特征出現了明顯差異。不同階段頂板巖性完整程度的不同以及頂板預裂爆破設計方案差異所引起的頂板弱化程度不同，也是導致工作面礦壓顯現特征不同的重要原因。

首采工作面；覆巖條件；礦壓顯現規律

1 工程概況

某礦7131工作面位于井田東翼三采區，7131切眼與DF5斷層毗鄰，西以三采區第一中部車場為界，南北分別以7131風巷、機巷為界。工作面沿走向布置，風巷靠近“四含”防水煤柱。7131沿空風巷南側為7130采空區，自A1點沿空掘進與7130機巷留有5 m的煤柱。為探放7130老空水，在改造切眼N4點撥門施工一條長270 m的排水巷，在排水巷對7130老空區水進行探放，排水巷距老空區35 m. 地勢較平坦。地面有后橋村，無河流。

7131工作面起止標高-393～-473 m，走向長度1 686.6 m，傾斜長度161～165.9 m，采用走向長壁綜合機械化采煤方法，頂板管理為垮落法。煤層開采厚度1.9～4.0 m，平均3.0 m. 該工作面內71煤層產狀變化不大，傾向355°～35°，傾角11°～16°，平均13°. 工作面內有284、采前3、29-302、303、高91鉆孔控制。地面標高一般為+21.6 m.

工作面71煤黑色，以塊狀、粉末狀為主，弱玻璃光澤，半暗～半亮型。根據鉆孔及實際揭露，該區域屬71煤和72煤合并區，煤層最大厚度為4.1 m，最小煤厚2.5 m，平均厚度M=3.19 m. 煤厚變異系數γ=9%，可采性指數km=1.0. 煤層結構較復雜。該工作面內71煤層產狀變化較大，煤層含1～2層夾矸，厚0.24～0.7 m，煤層頂底板情況見表1.

表1 煤層頂底板情況表

工作面基本頂一般為淺灰色中砂巖，局部為細砂巖及砂泥巖互層，厚度為8.41～20.75 m，平均14.4 m；直接頂一般為深灰色泥巖，局部為淺灰色粉砂巖及中砂巖，厚度不穩定0 ～3.7 m，平均厚1.7 m；底板一般為灰～深灰色泥巖，泥質結構，致密、塊狀、含植物碎片；頂底板較平整，局部裂隙發育，凸凹不平，屬二類。

2 工作面礦壓觀測目的及觀測方案

1) 觀測目的。

通過觀測，掌握7131工作面采用高阻力支架后的礦壓顯現規律，主要包括工作面初次來壓規律；6130工作面停采線以內7131工作面在上覆采空區下的來壓規律(第Ⅰ、Ⅱ塊段)；6130和7130工作面在停采線以外未采區域的礦壓顯現規律(第Ⅲ塊段)；工作面采空區下與實體煤巖柱區域下來壓規律的對比分析。

2) 觀測方案。

在7131工作面共布置13個CDW-60R型支架壓力記錄儀，將工作面分為3個壓力觀測區，其中3#、8#、13#、18#、23#為工作面下部觀測區，28#、36#、44#、52#為工作面中部觀測區，60#、68#、76#、84#為工作面上部觀測區，其它支架上均安裝數顯壓力表。7131工作面壓力監測儀器布置情況見圖1.

圖1 工作面壓力監測儀器的安裝位置圖

3) 觀測的主要內容。

a) 初撐力P0.

初撐力P0指支架的初始工作阻力。它的大小與乳化液泵站的工作壓力有關，且受管路損失和操作質量等因素的影響。支架整架初撐力可由式(1)計算：

(1)

式中：

Qoi—支架初撐時立柱油缸高壓側的壓力，MPa；

D—支柱油缸內徑，mm；

Z—支架立柱數目。

b) 循環末阻力Pm.

循環末阻力Pm指循環末移架前的工作阻力。正常情況下，循環末阻力為循環內的最大工作阻力，支架循環末總阻力可由式(2)計算：

(2)

式中：

Qmi—循環末立柱油缸高壓側的壓力，MPa.

由于支架工作阻力隨時間而不斷發生變化，所以循環末阻力還不足以反映支架的全面受力情況。例如，同一支架兩個不同循環立柱的末阻力可能相近或相等，但在循環內支架立柱的受力狀態差別卻可能很大。時間加權平均阻力Pt則可以反映出這一差別。

c) 時間加權平均阻力Pt.

時間加權平均阻力Pt指一個采煤循環內以時間為加權計算的平均工作阻力。根據工作阻力與時間的關系曲線(p-t)可計算Pt，其值為曲線下所包圍的面積除以受力的總時間。

d) 支護強度q.

支護強度q系指支架對頂板的支護阻力與其支護面積F的比值。對于掩護式支架，由于立柱與頂板有一定的夾角，則需要再乘以支護效率。

e)p-t關系曲線。

統計支架的工作特性曲線，即統計阻力與時間關系曲線的類型。統計不同時期(周期來壓與非周期來壓)各種類型關系曲線所占的百分數，以此分析。

根據工作面布置情況，沿工作面推進方向將工作面分為3個區域，分別為第Ⅰ塊段、第Ⅱ塊段和第Ⅲ塊段，下面分別就3個塊段的礦壓顯現規律進行分析。

3 不同覆巖條件下礦壓顯現規律的對比研究

1) 第I塊段。

7131面第Ⅰ塊段覆巖情況見圖2. 在7131工作面第I塊段的開采過程中，發現工作面中上部(45#～91#支架范圍)普遍存在片幫漏頂現象，尤其以65#～91#支架為主，而工作面中下部基本無片幫和漏頂。

利用數值模擬手段對其原因進行分析：

a) 由Flac數值模擬的初步結果發現，6130工作面開采后，在頂底板形成了一定范圍的卸壓區域。煤層傾角的存在，導致頂板的卸壓區域向上山方向偏移，而底板卸壓區域向下山方向偏移，卸壓區域呈現非對稱性的分布，見圖3.

圖2 7131面第Ⅰ塊段覆巖情況示意圖

圖3 6130工作面開采后頂底板垂直應力分布情況圖

b) 6130工作面與7130工作面開采完之后，在7130面機巷和6130面風巷之間的未采區域內，形成了一定范圍的應力集中區，導致7131工作面開采過程中，工作面中上部區域壓力較大，煤壁片幫明顯，漏頂現象頻繁，而工作面中下部由于上覆6130工作面采動卸壓的影響，壓力相對緩和，煤壁片幫和漏頂現象較少，見圖4.

圖4 7130工作面開采后頂底板垂直應力分布情況圖

結合上述數值模擬的結果，工作面中上部應力集中區域的存在，導致采動前頂板受高應力作用，裂隙較為發育，在采動超前支承應力的綜合影響下，頂板破碎程度大，直接造成工作面煤壁片幫、漏頂等現象。

由于工作面下部受采空區影響，上部支架仍處于實體煤巖柱區域下，加之第I塊段煤層頂板分層較多、巖性較軟、整體性差，造成工作面上部區域頂板破碎現象嚴重，漏頂、片幫等現象頻繁發生。分析其來壓規律發現，工作面下部區域頂板完整，來壓步距相對較大，上部區域頂板來壓步距較小。

2) 第II塊段。

分析認為，這種現象與工作面頂板覆巖結構有直接關系。工作面第II塊段不同開采階段礦壓顯現規律的對比見表2.

表2 工作面第II塊段不同開采階段礦壓顯現規律的對比表

根據推進不同階段礦壓顯現規律的對比分析，得出以下結論：

a) 中部支架載荷整體較上部和下部偏大，動載系數偏大，持續長度也偏長。上部區域的來壓步距比下部略小，支架載荷相差不大。

b) 采取頂板預裂爆破措施后，來壓步距、來壓持續長度整體減小。

工作面1#～44#支架位于上覆6130工作面采空區下方，7131工作面在開采之前頂板就處于卸壓區域。同時，由于上覆煤層已經回采，61煤層頂板發生了破斷，基巖頂部的含水層不能充分地將表土層載荷傳遞到基巖頂界面。因此，作用在工作面頂板的載荷作用也相對較小。

在工作面中上部，由于上覆61煤層沒有開采，7131工作面處于初次采動狀態，因此含水層載荷作用仍然能夠持續作用到基巖頂界面，影響覆巖的破斷特征。根據工作面來壓現象及周期來壓特征的分析結果，認為工作面中上部頂板中兩層厚硬砂巖在破斷過程中也屬于整體同步，因此對頂板來壓的影響較為劇烈，而且由于兩層硬巖層及其中間的軟弱夾層在破斷運動過程中，形成一個整體，導致其破斷回轉過程中，對支架作用時間較長，而且來壓期間的載荷也相對較大。

因此，從弱化頂板堅硬巖層、防止壓力持續過大導致頂板下沉量增大從而增加工作面壓架危險性的角度出發，需要對頂板的堅硬巖層實施超前預裂爆破弱化。

3) 第III塊段。

工作面進入第III塊段之后，覆巖均處于未受采動影響的狀態，同樣對工作面回采過程中，就上、中、下不同區域支架來壓特征進行了統計與對比。9月8日—12月20日工作面來壓特征情況統計表見表3. 由表3可以看出，工作面整體上來壓步距與第II塊段相比減小，在16.2～22.4 m，工作面下部與上部支架來壓步距較大，中部來壓步距偏小，平均為16.2 m. 工作面中部支架載荷較兩側偏大，動載系數中部也偏大，來壓持續長度與來壓步距的表現特征一致，表現為中部小、兩端大的特征。

表3 9月8日—12月20日工作面來壓特征情況統計表

由于頂板覆巖結構在整個工作面沒有本質上的差異，所以工作面在回采過程中，表現出的來壓特征與傳統的認識是一致的，即中部來壓相對劇烈，上、下部支架阻力相對較小，來壓相對緩和。

4 總 結

本文分析了不同塊段工作面礦壓顯現規律出現差異的主要原因，不同塊段含水層載荷傳遞作用的不同導致了工作面覆巖結構特征的差異，使得不同覆巖破斷特征條件下工作面礦壓顯現特征出現了明顯差異。不同階段頂板巖性完整程度的不同以及頂板預裂爆破設計方案差異所引起的頂板弱化程度不同，也是導致工作面礦壓顯現特征不同的重要原因。

[1] 劉新杰,張 信,林 超.薄煤層綜采工作面礦壓顯現規律研究[J].山東煤炭科技，2011(1):18-21.

StrataBehaviorLawinCoalFaceunderDifferentStrataConditions

LIJin

Taking the first mining face of a coal mine as the research background, the paper studies the law of rock pressure behavior under different overburden conditions. Load differs in transformation in different aquifers block lead to differences in overburden rock structure characteristics. There is an obvious difference in strata behavior under the condition of strata breakage. Roof weakening is not the same due to difference in roof integrity, in stages and in the design schemes for roof pre-fracturing blasting that bring about the different characteristics of the rock pressure in the working face.

First mining face; Strata conditions; Mine pressure behavior

·試驗研究·

2017-07-28

李 晉(1989—)，男，山西原平人，2012年畢業于太原理工大學陽泉學院，助理工程師，主要從事煤礦調度工作(E-mail)1557519378@qq.com

TD323

B

1672-0652(2017)10-0009-04