淺埋薄煤層工作面礦壓顯現特征研究

張 波

(山西平舒煤業有限公司，山西 晉中 045400)

0 引言

隨著煤層開采逐步向深部轉移，淺部煤層多為地質條件復雜，煤層厚度較小的煤層，為減少資源的浪費，多數礦井對過去未開采的薄煤層進行了重新開采，但由于地質條件的復雜與多樣性，尤其是堅硬頂板下的薄煤層工作面，其礦壓顯現規律研究較少，導致工作面在開采過程中突然出現來壓導致支架壓死等現象出現，對礦井的安全生產產生很大的影響[1-3]。堅硬頂板條件下的薄煤層綜采工作面礦壓顯現規律一直是許多研究人員的研究課題。例如，王占立等采用了現場監測的方法，對工作面突發沖擊性礦壓的預防措施進行了研究；于斌等采用理論分析與現場監測相結合的方法，對薄煤層工作面超前支承壓力的顯現特征進行了研究[4-5]。

以山西某礦淺埋薄煤層堅硬頂板綜采工作面地質條件為基礎，采用現場實測的方法，對堅硬頂板綜采工作面礦壓顯現規律進行了研究，以期為該礦區其他相似條件工作面提供現實依據。

1 工程背景

山西某礦12502工作面位于五采區，該工作面開采煤層厚度在1.0～2.30 m之間，平均厚度1.70 m，容重1.37 t/m3，局部煤層夾一層0.10～0.40 m的泥巖，煤層厚度變化較大；煤層傾角2°～6°，平均傾角4°。工作面地面標高為1 239～1 455 m，工作面標高為1 006～1 066 m，埋深約為250 m，工作面北東部為礦井邊界(小窯破壞區)，南東部為已形成的12503工作面，南西為大巷保護煤柱，北西部為已回采的12501工作面。工作面走向長度為1 500 m，傾斜長度為220 m，煤層結構簡單，賦存較穩定。

12502工作面煤層直接頂巖性為細砂巖，夾雜有一層偽頂，巖性為砂質泥巖。基本頂為粉砂巖，屬于致密堅硬巖層。底板巖性為砂質泥巖，較為破碎，內含植物化石等，工作面頂底板柱狀圖如圖1所示。由于頂板巖層硬度較大，因此研究工作面礦壓顯現規律十分重要。

圖1 工作面綜合柱狀圖

2 礦壓觀測方案設計

2.1 觀測內容

通過觀測工作面液壓支架的工作阻力隨工作面推進度的變化情況而判斷工作面初次來壓步距以及周期來壓步距的大小，并進一步分析頂板的來壓強度。通過對工作面液壓支架工作阻力以及初撐力等參數的觀測，判斷支架是否滿足工作面頂板的支護要求，依次來評價支架的合理性，是否能夠充分發揮作用。

2.2 觀測儀器布置

采用綜采液壓支架的壓力監測儀對工作面液壓支架工作阻力進行監測，工作面的液壓支架壓力監測儀布置情況為：共布置6架，分別是第5#、15#、55#、65#、125#、135#液壓支架。

2.3 數據記錄、整理

對整個回采過程中的礦壓顯現情況進行監測，屬于連續監測過程，基本上兩天對工作面壓力數據收集1次，在生產班收集數據，在工作面來壓時，變為每天收集1次數據。數據記錄的主要內容為整個工作面范圍內布置有測點的液壓支架的工作阻力數值以及煤壁宏觀礦壓情況。上井后，將記錄的數據及時整理、分析。整個監測工作從工作面開挖的時候開始，一直推進到200 m左右。

3 工作面礦壓顯現規律分析

3.1 工作面液壓支架初撐力分析

支架提供合理的初撐力是保證工作面正常推進過程中頂板維持穩定、減少煤壁片幫現象的重要因素。工作面采用的液壓支架的額定初撐力為6 000 kN/架。工作面各位置液壓支架初撐力統計數據如圖2所示。

a-工作面上部支架；b-工作面中部支架；c-工作面下部支架圖2 支架平均工作阻力頻率分布

由圖2可知，12502工作面液壓支架的初撐力多分布在3 000～4 000 kN之間，所占比例達到30%～40%，超過4 000 kN的比例約為20%，根據液壓支架的額定初撐力為6 000 kN，若按其80%來算，即合理的初撐力應達到4 800 kN，但從圖中可以看出，初撐力符合要求的情況極少，可以得出支架初撐力嚴重不足，因此造成工作面在推進過程中進程出現頂板冒落、煤壁片幫等現象。

3.2 工作面基本頂初次來壓分析

工作面自開切眼開始推進至距工作面200 m范圍內液壓支架平均工作阻力監測結果如圖3所示。根據監測結果分析，12502工作面推進至距離切眼25～30 m范圍時液壓支架平均工作阻力急劇上升，強度高、持續時間短，基本頂發生初次來壓，工作面中部首先來壓，平均來壓步距 25.6 m，其次是機頭方向平均來壓步距26.4 m，最后是機尾方向，平均來壓步距27.3 m。整個長度范圍內工作面初次來壓步距并不一致，大體呈現中間短兩端長，平均來壓步距25.4 m。

3.3 工作面周期來壓分析

對12502工作面上部、中部、下部3個位置共6個液壓支架的工作阻力進行監測，繪制工作面自開切眼推進至200 m的過程中液壓支架工作阻力曲線如圖3所示。

a-工作面上部支架；b-工作面中部支架；c-工作面下部支架圖3 液壓支架平均工作阻力分布圖

通過對12509工作面不同位置液壓循環末支架工作阻力的分析，可以得出基本頂周期來壓特征主要如下：①12502工作面推進從開切眼推進到200 m的過程中，共監測到基本頂周期來壓10～15次。其中，工作面中部周期來壓強度較大，兩端周期來壓強度相對較小；②根據工作面液壓支架工作阻力，工作面基本頂周期來壓步距在14～17 m范圍內，平均值為16.5 m，工作面不同位置的基本頂周期來壓步距相差不大；③工作面未來壓時，鞏固走面煤壁較為完整，片幫情況較少，未出現冒頂現象，此時支架工作阻力躲在3 000～4 000 kN范圍內，為額定工作阻力的45%；來壓時，工作面的礦壓顯現明顯，支架工作阻力急劇增大，其平均工作阻力為4 500～5 500 kN，為額定工作阻力的67%，因此工作面來壓時，未超過液壓支架額定工作阻力，液壓支架能夠滿足工作面安全開采。由于周期來壓時都會發生煤壁壓裂、片幫以及頂板冒落現象，因此可將煤壁等出現的該類礦壓顯現作為預報工作面來壓的一項指標。

4 結論

(1)12502工作面液壓支架初撐力多分布在3 000～4 000 kN，未達到支架額定初撐力的80%，初撐力較小，已造成工作面煤壁片幫、冒頂等現象出現。應通過延長注液時間、二次注液等措施提高液壓支架初撐力。

(2)工作面初次來壓步距約為25.4 m，工作面中部首先來壓，其次是工作面兩端，整個長度范圍內工作面初次來壓步距并不一致，但差距不大，大體呈現中間短兩端長。

(3)工作面周期來壓步距約為16.5 m，來壓時工作阻力在4 500～5 500 kN之間，未超過額定工作阻力。