柳塔煤礦大采高工作面礦壓規律實測分析

許添寶

（廣東安元礦業勘察設計有限公司， 廣東 惠州 516211）

1 工作面布置

1.1 工作面概況

12117大采高工作面位于柳塔煤礦12煤層西部盤區，工作面東側為12116-3及12116-4綜采工作面采空區，西側緊鄰井田邊界，南側緊鄰盤區大巷，北側為實體煤，未采動。工作面長256 m，推進長度為 1 338 m，傾角為 1°～3°，煤容重 1.32 t/m3，煤層厚度4.5～5.0 m，平均采高4.8 m，可采儲量217萬t。煤層頂底板情況詳見表1。

表1 煤層頂底板特征表

1.2 工作面支架布置

工作面選用鄭煤生產的ZY12000/25/50型兩柱電液控支架支護，共計151臺，其中中間架141臺，端頭支架6架（頭3尾3），過渡支架4臺（頭2尾2）。支架工作阻力均為12 000 kN，除局部支架重量41.0 t/架外，端頭支架重量與過渡支架重量均為40.0 t/架。

2 工作面頂板礦壓監測

2.1 礦壓監測站的布置

12117工作面設置6個觀測站，每個觀測站記錄三架支架的采集的數據。數據的采集利用液壓支架自帶支架壓力采集器定時定點進行采集。I號觀測站采集7、8、9號支架的壓力數據，II號觀測站采集35、36、37號支架的壓力數據，III號觀測站采集70、71、72號支架的壓力數據，IV號觀測站采集100、101、102號支架的壓力數據，V號觀測站采集131、132、133號支架的壓力數據，VI號觀測站采集149、150、151號支架的壓力數據。

2.2 工作面礦壓顯現規律

2.2.1 初采期間礦壓觀測

采集到的數據記錄后進行統計分析，將六個測站記錄的數據進行處理，求出支架平均工作阻力以及全部支架每次觀測壓強平均值，記錄成表繪制曲線圖，分析初采期間礦壓顯現規律（如圖1、下頁圖2所示）。

圖1 頂板來壓監測與支架工作阻力平均值曲線

結合采集數據繪制曲線圖可以看出，支架的平均工作阻力為8 791 kN。初采期間頂板來壓均勻，液壓支架工作阻力變化不大，并未出現頂板來壓瞬間增大的現象，檢測的液壓支架工作阻力均小于 10 000 kN，符合液壓支架規程范圍，支護效果良好。

圖2 監測站各支架平均工作阻力關系

2.2.2 正常回采期間礦壓觀測

在工作面正常回采期間，對各監測站支架進行實時監測統計，監測站內的支架工作阻力數據隨著工作面的開挖呈正態分布，即靠近機頭、機尾以中間支架區域的支架工作阻力相對較大，隨著工作面的推進總支架工作阻力會周期性的突然瞬間增大，這表示周期來壓突然發生[1]，以最具代表性的I測站以及III測站作為分析目標，繪制工作阻力與推進距離關系圖以及工作阻力頻率分布特征圖，如圖3、圖4所示。

圖3 I測站支架工作阻力與推進距離關系

圖4 III測站支架工作阻力與推進距離關系

頂板來壓監測站從開挖4.7 m時進行實時監測，從圖3可以看出I測站采集的數據在回采4.7～33.0 m階段時隨著工作面的開挖支架工作阻力在6 500 kN左右浮動，最大支架工作阻力值為7 108.96 kN，最小支架工作阻力值為4 772.8 kN。當工作面回采至36.0 m時，支架動作阻力由33.0 m時的監測值（6 132.16 kN）瞬間增大到9 343.2 kN，此時老頂初次來壓突然發生，來壓前回采工作面上方空間的頂板壓力還比較小，來壓后工作面開始出現片幫，但并不代表塌陷[2]。開采至48.5 m時支架工作阻力值回落到6 174.72 kN，初次來壓影響范圍達12.9 m。工作面開采至55.8 m時支架工作阻力為8 239.36 kN，此時老頂的周期來壓發生，來壓步距為20.2 m。隨后又發生多次回采工作面周期來壓分別為75.3 m時，來壓步距為19.49 m；94.2 m時，來壓步距為18.9 m；114.5 m時，來壓步距為20.3 m；132.8 m時，來壓步距為18.3 m。

從圖4可以看出III測站采集的數據在回采4.7 m～33.0 m階段時隨著工作面的開挖支架工作阻力在7 100 kN左右浮動，最大支架工作阻力值為7 385.28 kN，最小支架工作阻力值為5 526.4 kN。當工作面回采至36.0 m時，支架動作阻力由33.0 m時的監測值（6 561.6 kN）瞬間增大到9 296.8 kN，此時老頂初次來壓突然發生，來壓前回采工作面上方空間的頂板壓力還比較小，開采至43.6 m時支架工作阻力值回落到6 853.92 kN，初次來壓影響范圍達8.0 m。工作面開采至55.8 m時支架工作阻力為9 073.12 kN，此時老頂的周期來壓發生，來壓步距為20.2 m。隨后又發生多次回采工作面周期來壓，基本來壓情況與I測站類似。

綜合以上數據可看出：大采高工作面在初次來壓后會出現多次老頂來壓，來壓步距多在18～20 m范圍內，老頂來壓期間工作面煤壁出現局部片幫的現象，現象集中在煤壁的中上部，片幫直接導致液壓支架的護幫板不能護實煤壁，支架工作阻力也會比其他周期來壓較大，來壓步距變為40～70 m范圍內，認為此時的周期來壓為大周期來壓[3]。大周期來壓的表現為：來壓時頂板慢慢發生漏頂現象，如若漏頂并未及時發現，割煤機割一刀煤后拉架，液壓支架易沖天，回采期間應該重點防范，工作面作業人員必須經常觀察頂板情況，發現頂板漏頂及時超前拉架，與此同時，拉架時必須認真觀察頂板是否平整，確定平整后才可拉架，避免由拉架引起的頂板不平整。

3 超前支承壓力監測

3.1 超前支承壓力監測站的布置

在12117回風巷以及運輸巷內距工作面60 m處分別布置第一個監測點，測點主要布置在巷道煤幫的中部位置，標記為1號監測站，然后每隔10 m布置一個監測站，在每個測站處的下幫煤壁上，垂直于煤壁打設鉆孔，共計布置九個監測站。特別要注意的是工作面采用了KSE-II-I型鉆孔應力計，分為5 m應力計、6 m應力計、7 m應力計三種型號[4]。工作面設計1號監測站布置在距離工作面60 m處，1號、4號、7號監測站采用孔深5.0 m應力計；2號、5號、8號監測站采用孔深6.0 m應力計；3號、6號、9號監測站采用孔深7.0 m應力計，應力計初始值設為6 MPa[5]。

3.2 超前支承壓力分布規律

1）12117回風巷超前支承壓力。將設置于工作面回風巷的監測站數據收集整理后繪制成超前支護段煤壁壓力載荷測點數據特征曲線，如圖5所示。從曲線圖中可以看出，12117回風巷距離工作面上端頭較遠處的煤幫受到壓力較小，但在工作面前方80 m范圍內應力變化較為劇烈，在距工作面4 m以外（指向巷道方向），距離工作面越近煤幫的破壞程度越大，受到的壓力也越大[6]。在大采高工作面上端頭超前支護段的煤幫較為松散破碎，受工作面回采影響，在工作面前方4～90 m范圍內，大部分煤幫的底角會發生片幫現象，導致煤幫處的一部分水平應力被釋放，在頂板壓力較大的情況下，工作面主要采用π型鋼梁進行支護，支護效果良好，頂板的壓力部分作用于π型鋼梁單體液壓支柱上，在一定程度上緩解了兩幫的側壓力，從而使得工作面上端頭超前支護段煤幫中部整體水平應力值較小[7]。

圖5 超前支護段煤壁壓力載荷測點數據特征

圖6 鉆孔應力與推進距離關系

2）12117運輸巷超前支承壓力。12117運輸巷超前支護段受工作面采動影響，巷道下幫的煤壁整體載荷并不是很大，數值都在6～10 MPa范圍內。將設置于工作面運輸巷的監測站數據收集整理后繪制成鉆孔應力與推進距離關系曲線，如圖6所示。在工作面安裝鉆孔應力計后，隨工作面回采鉆孔應力計很快就出現卸壓現象，這是因為監測站周圍的煤巖體受力開始變形破壞、松動泄壓，導致圍巖應力下降，鉆孔進一步受力變形后，變形壓力逐漸趨于穩定狀態，鉆孔內的壓應力總體呈現出不斷升高的趨勢。

4 結論

大采高相較于普采具有一定優勢，但因為其采高大，效率高造成“支架-圍巖”穩定性差、事故率高以及地表沉陷嚴重等問題嚴重制約了大采高工作面安全高效開采。采場超前支承壓力必然會導致煤巖體內部結構破壞，從而影響開采煤層穩定性，頂底板破壞以及支承壓力作用范圍內的煤巖體力學性質等。工作面前方煤體在支承壓力的作用下內部結構發生破壞、畸變，嚴重的會導致回采工作面冒頂、片幫、底臌以及沖擊地壓等地質災害。對大采高工作面礦壓顯現規律等的研究不能墨守成規，必須具體問題具體研究，結合實際情況，進行定性分析，從而能夠適應不同地質條件高產高效的要求，同時也具有重要的經濟意義以及社會意義。