石圪臺煤礦2－2上301工作面礦壓觀測數據分析

尹時雨

(中國石化長城能源化工有限公司煤礦安全管理處，北京 100020)

0 引言

采煤工作面是煤礦頂板事故的易發地，在頂板事故中約占70%。統計資料表明［1-3］，頂板事故約占煤礦事故40%～50%。頂板事故與礦山壓力、瓦斯突出、突水、沖擊礦壓等密切關系［4］。為此，探尋礦山壓力規律研究巖層移動對預防頂板事故意義重大。

20世紀80年代，學者霍勃爾瓦依特就淺部長壁開采的礦壓現象展開觀測研究［5］。目前在國外學者的研究中，普遍認為如果在淺埋煤層開采過程中出現了頂板破斷現象，會對地表產生一定的影響，同時造成頂板破斷角變大，地表下沉速度加快，來壓明顯且難以控制等現象［6］。1999年，侯忠杰教授在關鍵層理論的基礎之上結合“組合關鍵層”判據就頂板控制相關理論進行了深入研究［7-9］。由于研究時間的滯后性，淺埋煤層長壁開采中工作面頂板礦山壓力與巖層控制在其他地質條件下并不能完全適用，如采煤工作面沿煤層傾斜布置走向推進過程中，礦山壓力顯現明顯，就需要對該煤層賦存條件重新研究討論，總結更加適應的礦壓規律。因此，文中對于動載礦壓顯現劇烈、壓架事故頻發礦井的回采工作面巷道支護理論開展初步研究，通過采集數據、使用Matlab軟件對數據進行圖像處理從而得出礦山壓力顯現規律并提出可行性建議。

1 工作面概況

1．1 工作面位置及煤層賦存

石圪臺煤礦位于神東礦區北部，東西長約10 km，南北寬約8 km。井田含煤巖系為下中侏羅紀，可采煤層有8層。其中22301綜采工作面位于2－2上煤三盤區，處于 2－2上煤與 2－2煤復合區，局部起伏較大。工作面1～25架上覆12304綜采工作面采空區，26～33架上覆12304綜采工作面順槽保護煤柱，機頭區域1－2煤與2－2上煤的層間距厚度為14.23～19．95 m，靠近回撤通道區域最薄、切眼側厚，靠近切眼側上部存在1－2煤火燒邊界，回風側上部存在1－2上煤火燒邊界。

2－2上煤厚為0．8 ～2．4 m，平均煤厚為1．6 m，傾角1°～3°，整體呈負坡回采，局部有波狀起伏。根據巷道素描揭露整個工作面受到不同程度的沖刷構造影響，最薄煤厚為0．8 m，屬于較穩定煤層。

2－2上煤301工作面推進長度544 m，寬度300 m，設計采高2．0 m，工作面采用7LS1A/LWS632型采煤機，采高范圍1 500～3 300 mm，滾筒直徑1 500 mm，滾筒截深865 mm，地質儲量為33．42萬 t，可采儲量為31．75 萬 t，見表1。

表1 2－2上301綜采工作面煤層賦存特征表

1．2 工作面水文地質條件

2－2上301 工作面上覆基巖厚19．1 ～52．32 m，靠回風順槽一側最薄;松散層19．17～58．1 m，回風順槽側較厚;2－2上301工作面上部有12304采空區，2－2上煤與 1－2煤層間距為 14．23 ～19．95 m，靠近回撤通道最薄、切眼側厚;煤厚靠近切眼側較厚;靠近切眼側上部存在1－2煤火燒邊界，共施工探放水孔61個，累計泄水量9．7萬m3，預計在回采過程中，上部會有少量積水，工作面淋水連續5架且水量超過60 m3/h或正常涌水量持續大于150 m3/h，超前工作面探放水孔出現異常涌水時，停止生產，建議工作面按600 m3/h的排水能力設防，做好防排水工作。

工作面涌水主要來源于頂板裂隙水和上層煤采空區積水，預計正常涌水量150 m3/h，最大涌水量300 m3/h。

2 礦壓觀測及分析

2．1 礦壓觀測內容

綜采工作面的礦壓觀測研究的內容主要有:支架工作阻力觀測、支架活柱伸縮量觀測、巷道圍巖變形觀測、巷道圍巖表面位移量觀測、順槽超前支護范圍內單體液壓支柱的阻力觀測，以及支護質量的動態監測。

根據觀測結果對工作面頂板及頂板活動規律、來壓特征，工作面支架受力特點，支架對頂板的適應性和控制效果，超前支撐壓力影響范圍和分布特點，頂板、煤層穩定性，工作面支護質量等進行分析，并進一步了解煤、巖體力學參數等基礎數據［10］。

2．2 觀測方法及步驟

支架阻力觀測:人員現場采集記錄，從機頭10架開始每10架選取一個觀測點，每割一刀煤記錄一組數據;記錄以實際割煤刀數為準，加甩刀時加甩刀距離在60架以內的不采集數據，加甩刀距離超過60架的按整刀記錄;記錄時須待壓力穩定后記錄，指定支架壓力異常時參照相鄰支架。

采場頂底板移近量觀測:首先應選好觀測地點，由于采場是隨工作面推進運動，且采場寬度較小，所以測點的存在時間很短，一般從靠近煤壁設置測點起，測至靠近采空區測點報廢止，只有幾天時間，且受干擾影響極大。選好測點后，要分別在頂底板上固定基點，然后用ADL-2．5型測桿人工測量，每隔2～4 h或移架前后各測讀一次，做好記錄，后續做整理分析。

單體摩擦支柱支護阻力觀測測力計:單體摩擦支柱支護阻力可用ADJ-45和ADJ-50型機械測力計測定。機械式測力計俗稱壓力盒，其基本原理就是通過變形來反映受力大小，如圖1、圖2所示。

圖1 單體摩擦支柱支護阻力

圖2 測力計待定特性曲線

3 來壓統計及頂板來壓分析

據統計從工作面剩余270～48 m，共計來壓27次，見表2、表3。

3．1 初次來壓

直接頂垮落情況:2015年5月31日早班，2－2上301綜采工作面推進4 m后對切眼范圍內頂板進行強制放頂爆破工作，采空區頂板局部垮落。工作面機頭推進至31．4 m，機尾推進至31．9 m時，采空區直接頂基本全部垮落，采空區充填不完全，工作面支架壓力不大，垮落情況良好。

表2 來壓統計情況

表3 來壓統計(去掉加甩刀頻繁區域和空巷區域)情況

初次來壓情況:6月9日中班，機頭推進到36．9 m，當機尾推進38．2 m時，工作面40～80架來壓，壓力值在360～420 bar，此范圍安全閥開啟率為60%，活柱下縮量最大300 mm，持續3刀后壓力值減小。6月9日夜班，機頭推進33 m，機尾推進34．3 m時，工作面10～100架范圍內個別支架有壓力顯現，壓力值為300～360 bar，個別支架最大壓力顯現為380 bar。推進2刀后壓力值減小，工作面推進過程中局部煤壁出現片幫、炸幫現象，片幫厚度約100 mm，對應地表無裂隙。6月10日上午10點據地表觀測，工作面上部地表出現裂隙，裂隙寬度0．1～1 cm，最遠裂隙超前工作面24．29 m。此后工作面推進過程中，支架壓力260～350 bar，局部煤壁有片幫和炸幫現象，片幫厚度100 mm左右，如圖3所示。6月10日夜班，機頭推進41．6 m，機尾推進42 m，工作面100～150架來壓，壓力值在350～430 bar，局部片幫深度達1 000 mm，活柱下縮量最大達到400 mm，此范圍安全閥開啟率達到70%，壓力持續3刀。本工作面初次來壓步距機頭36．9+7．5=44．4 m，機尾42+7．5=49．5 m，平均為47 m。主運輸槽、輔運輸槽及回風巷沒有異常壓力顯現。

圖3 6月10日地表裂隙圖

3．2 來壓特點及礦壓

工作面正常回采:工作面正常回采期間采高2.1～2．2 m，回采期間來壓時壓力值在360～420 bar之間，個別支架達到430 bar，壓力持續3～4刀;工作面無壓時支架壓力為260～350 bar，無壓段持續5～7刀，來壓步距8～11刀。

末采期間:第17～27次來壓期間工作面頻繁加甩刀調整工作面安全出口、中部滯后和過空巷，除去這11次來壓，來壓步距平均11．1刀，來壓持續平均約4．4刀，無壓段平均為6．7刀。來壓期間壓力范圍為360～420 bar，工作面壓力顯現不明顯，個別支架壓力能達到447 bar;無壓段壓力范圍為252～340 bar。

掛網期間:貫通前倒數第二次周期來壓位置為距貫通9．7～8．9 m位置，來壓范圍在20#～120#支架間，壓力值為38～435 bar，來壓較之前強烈，工作面貫通期間整個工作面漏矸嚴重，漏矸厚度達到300～800 mm。貫通最后一次來壓位置為2．8～1．2 m之間，壓力持續割煤三刀后消失。聯網期間工作面未出現來壓征兆，掃底、挑梁后支架壓力值穩定在380 bar以下。

插值擬合:通過使用Matlab數學軟件分別對割1、2、361、362刀次所采集到的各支架測點工作阻力數據進行插值擬合，如圖4所示。除此之外，170臺支架共17個觀測點，作出各個觀測點隨工作面推進長度的增加支架工作阻力不斷發生變化的總體效果圖，如圖5所示，從圖像上分析大致得到擬合不同階的方程表達式，為研究礦山壓力顯現規律提供理論依據。

起始布好的支架測點在起初刀次進刀過程中，隨著推進長度的增加，頂板壓力變化從0緩慢增至峰值后，壓力在小范圍上下波動約10組測點，最終壓力逐漸減小;末端的支架測點在末刀次進刀過程中，隨著推進長度的增加，頂板壓力變化從最小值迅速增至最大值，礦山壓力顯現明顯，在推進中經歷增壓減壓循環數次，大約16 m后壓力大小趨于穩定，此時易于對頂板采取控制與維護。

將2－2上301工作面全部刀次在170臺支架測點上記錄數據，根據記錄的數據通過采用Matlab數據可視化功能以將矩陣用圖形表現方法處理得到圖5所示的圖形效果。從圖5結果表明，根據數據分布規律擬合出3次樣條插值以及高階多元非線性回歸方程，得到此工作面礦山壓力作用在支架上的顯現規律，其呈現出先增大后減小反復數次循環后大致趨于穩定，表現出了周期來壓的步距大約為20 m，支架所受壓力數值維持在250～350 MPa，壓力達到350 MPa以上，礦山壓力顯現明顯，對工作面會造成一定影響，使得頂板支護也較困難，所以需要掌握此規律總結的初次來壓步距以及周期來壓步距之后提前做好頂板控制維護工作，防止由礦壓所導致的井下災害發生。

4 結論

(1)工作面來壓時，支架壓力顯現較為明顯，持續時間短，主運順槽、回風順槽來壓顯現不明顯，有片幫、炸幫、活柱下縮、漏矸等現象。片幫、炸幫厚度200～300 mm，活柱下縮100～200 mm，漏矸高度在200～500 mm，來壓時工作面支架安全閥開啟率為5% ～10%。

(2)掛網期間，工作面處于無壓段。周期來壓時支架壓力顯現更加明顯，頂板出現的片幫、漏頂高度為200～400 mm，采煤機在割煤1刀后壓力基本消失，工作面壓力值為280～320 bar，來壓影響范圍大。

圖4 不同刀次對應的各支架測點工作阻力變化情況圖

圖5 22上301工作面全部刀次170臺支架測點隨推進長度支架工作阻力變化

(3)回采工作面的礦山壓力大致趨勢是先逐漸增大至最大峰值點后，支架阻力逐漸減小，即隨著巖層裂隙發育程度、裂隙度，煤層厚度、硬度、裂隙度以及地質構造的不同將會達到二次峰值點或持續減小，循環數次，礦山壓力在支架前端即第三組測點前總會逐漸增大至擬合曲線的最大值，而在支架末端即第15個測點后逐漸減小甚至減小至擬合曲線的最小值。