綜采面過風氧化帶礦壓差異性及安全措施

趙志峰

（山西焦煤西山煤電股份有限公司西曲礦，山西 古交 030200）

風氧化帶區域內的煤巖層性質主要表現為，巖體裂隙發育明顯、強度較差，承載能力較小，自穩定性較弱等特點。綜采工作面過風氧化帶區域時支護困難以及安全性問題，國內外學者進行了很多相關研究。杜鋒[1]等以百善煤礦風氧化帶工作面實測的礦壓數據為分析依據，證明了風氧化帶上覆巖層具有明顯的分層變異特性，并提出了針對過風氧化帶區域工作面安全高效開采的解決辦法。宣以瓊、代長青等[2-3]以大量的現場觀測和科學實驗數據以及開采實踐為依據，探討了含水松散層下風氧化帶煤層開采時覆巖破壞運移規律以及實現安全開采的有效機理，并提出了在此條件下煤層無基本頂關鍵層等觀點。王惠兵[4]等對楊莊煤礦九采區過風氧化帶區域煤層上覆巖層運移及破壞進行了預測與實踐。本文以西曲煤礦28301綜采工作面為研究對象，通過實測進一步探討綜采工作面過風氧化帶時上覆巖層礦壓顯現規律，以及與過風氧化帶之前的差異性，并給出過風氧化帶的安全技術措施，為綜采工作面過風氧化帶開采提供參考。

1 工程概況

28301 綜采工作面位于北三盤區中部，北鄰28302工作面采空區（幫對幫16 m），南鄰28406工作面采空區（幫對幫16 m），西鄰西983運輸大巷。開采8#煤層，厚度穩定，煤厚4.10～4.30 m，平均4.20 m，煤層傾角1°～14°，一般為3°。煤層結構簡單，中部普遍含有一層泥巖夾石，夾石厚度變化不大。煤層偽頂為泥巖，直接頂板為3.85 m的石灰巖，直接底板為2.08 m 的中粒砂巖，28301 工作面長185/220 m。采用傾斜長壁后退式采煤法，一次采全高綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板。綜采工作面使用ZY5600液壓支架，共147架。依據礦井地質資料分析，工作面在開采中局部頂板及煤層有風化現象，范圍為：沿煤層傾向方向寬48.2～50.4 m，沿煤層走向方向長190.7～230.3 m，風氧化帶范圍內直接頂巖性以砂質泥巖為主，破碎易冒落。另外，28301工作面沒有火成巖侵入、沖刷帶及煤層分叉等對煤層開采有影響的隱蔽致災因素。

2 綜采工作面過風氧化帶礦壓差異性分析

2.1 礦壓實測布置方式

在液壓支架上布置應力傳感器實時監測上覆巖層壓力，利用CDW-60R型礦山壓力監測系統實時采集壓力傳感器監測數據。液壓支架按測試區域分為3組，上測區5#～45#液壓支架，中測區55#～95#液壓支架，下測區105#～145#液壓支架。根據監測結果分析過風氧化帶與未過風氧化帶時上覆巖層壓力的變化差異。

2.2 周期來壓步距分析

根據工作面距離過風氧化帶區域距離以及工作面推進速度來確定礦壓監測系統采集礦壓數據的時間。于2018年5月1日～6月2日對過風氧化帶之前區域的上覆巖層進行監測。于2018年7月15日～8月10日對過風氧化帶區域上覆巖層進行監測。礦壓監測系統監測到的數據直接上傳到地面電腦，經過對數據的分析處理，得出兩個階段時的周期來壓步距，見圖1。

由圖1可以看出，28301工作面在未過風氧化帶之前，周期來壓步距為11.2～13.8 m，平均步距為12.2 m。在風氧化帶區域內回采時，周期來壓步距為9.6～11.3 m，平均步距為10.4 m。過風氧化帶時周期來壓步距有所減小。這說明風氧化帶區域內的巖層節理裂隙發育嚴重，孔隙率較大，加上水體長時間的腐蝕和軟化，導致巖體強度較低，各方面力學性能變差，因此周期來壓步距變短。

圖1 綜采工作面周期來壓

2.3 沿工作面傾向、走向礦壓差異性分析

（1）沿工作面傾向礦壓差異性分析

綜采工作面沿工作面傾向往前推進的過程中，非周期來壓期間液壓支架平均工作阻力以及周期來壓期間最大工作阻力變化規律見圖2。3個測區的液壓支架工作阻力測試數據都表現為風氧化帶之前區域小于風氧化帶區域，風氧化帶之前區域煤層上覆巖層表現的動載系數相比風氧化帶區域煤層上覆巖層表現的動載系數要大。從表1可以看出中測區液壓支架在風氧化帶前以及風氧化帶內平均工作阻力與最大工作阻力增高系數分別為1.49和1.20；上測區液壓支架在進入風氧化帶之前時動載系數為2.31，在風氧化帶內動載系數為1.65。分析認為，風氧化帶區域內，煤層上覆巖層的多裂隙性以及自身強度較低的原因，導致整個巖層形成軟弱層，使周期來壓期間的峰值壓力與非周期來壓期間的壓力得以均化，造成了動載系數變小的情形。

表1 中測區支架工作阻力

圖2 28301綜采面沿推進方向液壓支架工作阻力變化

（2）沿工作面走向礦壓差異性分析

圖3為沿工作面走向不同階段支架平均工作阻力與最大工作阻力變化規律圖。由圖3可以看出，無論是過風氧化帶前，還是風氧化帶內回采，支架平均工作阻力與最大工作阻力都表現為中間區域大于兩邊。兩種情況下支架的初撐力都比較小，個別支架的工作阻力也普遍偏低，導致支架的支護效果不明顯。

圖3 28301綜采面沿走向支架工作阻力變化規律

3 過氧化帶區域回采安全措施

根據綜采工作面過氧化帶區域礦壓規律分析，結合現場實踐，綜采工作面過氧化帶時應采取相應的安全措施，主要包括：

1）工作面保持正規循環，保持“三直兩平”。

2）綜采工作面遇風氧化帶時，必須提前拉架，必要時采用帶壓擦頂拉架，可以適當降低采高，跟頂留底，采高控制在3.6～4.0 m，以保證有效控制頂幫及采煤機順利通過。頂板破碎處，必須全部提前拉架，必要時要在支架上用工字鋼或板梁提前挑梁維護頂板，若頂板特別破碎，出現工作面推過后方頂板直接垮落的情況下，應采取人工擴幫推進的辦法。

3）保證支架接頂嚴密，支撐有力。加強對支架檢修，確保支架不竄液，不自動卸壓下沉，保證支架初撐力不小于24 MPa。

4）過風氧化帶區域作業時必須時刻觀察周圍環境，如有異常必須立即停止作業，采取措施處理完后方可繼續作業。

5）移架時要緩緩降架，幅度要小，使支架梁端緊貼煤壁，支架拉出后及時打出防片幫板，如片幫嚴重端面距離超過規定時，要及時采取相應解決措施。

6）兩巷頂板破碎時，超前支護使用木柱帽代替鐵柱帽，必要時根據實際情況套加工字鋼棚梁或紅松木板梁，打設單體液壓支柱加強支護。

4 結語

1）根據液壓支架監測數據，得出風氧化帶之前區域工作面周期來壓步距為12.2 m，風氧化帶區域周期來壓步距為10.4 m。

2）沿工作面推進方向，風氧化帶之前區域回采相對于風氧化帶區域回采時，支架平均工作阻力與最大工作阻力增高系數分別為1.5、1.20，動載系數分別為2.31、1.65。

3）沿工作面走向方向，無論是過風氧化帶前，還是風氧化帶回采，支架平均工作阻力與最大工作阻力都表現為中間區域大、兩邊小的特點。