建新礦綜放工作面礦壓顯現規律研究

段老虎 王 斌 顧鵬翔

（1、陜西建新煤化有限責任公司，陜西 延安727300 2、中國礦業大學礦業工程學院，江蘇 徐州221000）

采煤工作面作為煤炭的第一生產現場，對整個煤礦的安全生產產生著重要影響，是煤礦安全管理工作中的重點區域[1-4]。本文通過對建新煤礦4210 工作面回采期間支架工作阻力進行監測，分析礦壓顯現規律，為后續工作面回采提供理論指導，以減少安全事故的發生。

1 工作面概況

4210 工作面位于42 盤區東部，工作面呈東北- 西南方向布置，其北為4208 工作面（已開采完畢），南界為4212 工作面（未開采），東界為42 盤區邊界，西界為42 盤區輔運大巷保護煤柱。4210 工作面地面海拔高度為+1380～+1550m，工作面相對地面，山巒起伏，植被發育，森林茂密，但有曹河支流流經，枯水期支流流量0.61L/S，豐水期23.53L/S，地面無村莊存在。4210 工作面煤層賦存平緩，煤層底板標高為+824～+926m，地表標高+1380～+1550m，埋藏深度約為600m 左右。4210 工作面開采煤層為4-2煤層，傾角2°～4°，平均3°左右，近水平煤層。

2 上覆三帶及頂板斷裂跨距分析

2.1 工作面頂板三帶計算

當使用長壁式全部冒落采煤方法開采近水平或緩傾斜煤層時，采空區上覆巖層的移動穩定后，一般形成由下往上的垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。

依據生產實際狀況，取煤層開采厚度為10.45m，垮落巖石碎脹系數1.3，煤層傾角為3°，計算得出4210 工作面上覆巖層理論三帶的高度分別為：垮落帶高度為34.88m，裂隙帶高度為62.97～80.77m，彎曲下沉帶高度為484.35～502.15m。

2.2 工作面頂板初次斷裂步距分析

（1）基于梁式斷裂極限跨距的分析

煤層之上35m 處厚3.98m 的細砂巖對采場上覆巖層活動有重要影響，該巖層的抗剪強度為25MPa，抗拉強度為3.5MPa。依據固支梁理論，得到頂板的初次斷裂步距為40.6m, 依據簡支梁理論，得到頂板的初次斷裂步距為36.8m。考慮到安全生產問題，取得頂板的初次斷裂步距為40.6m。

（2）基于板式斷裂極限跨距的分析

隨著工作面的推進，頂板巖層形成了薄板結構，對于4210工作面老頂初次破斷前，四周均為實體煤，屬于四周固支的板。計算得出頂板的初次斷裂步距為40.9m。

結合以上的分析，通過梁式斷裂極限跨距理論和板式斷裂極限跨距理論分別計算了4210 工作面老頂初次斷裂步距，分別為40.6m 和40.9m，因此，預計工作面老頂初次斷裂步距為40m 左右。

2.3 頂板周期斷裂步距分析

頂板巖層初次斷裂后，工作面繼續推進，頂板巖層將形成一端固支，一端懸浮的懸臂結構，頂板周期性斷裂，造成工作面的周期來壓。周期來壓是老頂關鍵層周期性破斷形成的。通過懸臂梁理論，得到老頂的周期斷裂步距為24.8m。

3 工作面礦壓監測

3.1 監測方案

4210 工作面支護采用基本架ZFY10500/20/36 型液壓支架117 架，前、后兩端支護采用過渡支架ZFG11000/25/36 型液壓支架支護，機頭為3 架，機尾為4 架，前端頭布置端頭支架ZFT20600/22/35 型液壓支架1 架。

本次工作面支架工作阻力監測采用尤洛卡KJ216 型礦壓監測設備。工作面長214.5m，共117 架液壓支架，共布置9 條測線。測線分別布置在：5#架、16#架、27#架、38#架、49#架、60#架、71#架、82#架、93#架。測線布置如圖1 所示。

圖1 4210 工作面測線布置圖

3.2 周期來壓分析

監測完成后，對監測數據進行分析，整理從而判斷工作面周期來壓情況。得出4210 工作面老頂頂初次垮落、老頂初次來壓及5 次周期來壓情況。

老頂初次來壓步距為 43.11m, 周期來壓步距24.44m～26.00m,平均為25.22m。與理論計算結果相近，具有可參考意義。

3.3 支架工作阻力分析

工作面采用ZFY10500/20/36 型支承掩護式放頂煤液壓支架，額定工作阻力10500kN。實測工作面各測線支架工作阻力數據統計見表1。

工作面機頭和機尾區間支架工作阻力較小，中部較大，具體為：

（1）機頭：工作阻力平均為1520.62kN（為額定工作阻力的14.48%），最大工作阻力2609.34kN（為額定工作阻力的24.85%），工作阻力分布在0～2000kN 范圍，占統計循環數的35.88%，分布在2000～4000kN 范圍，占統計循環數的64.12%。

表1 工作面支架阻力統計

（2）中部：工作阻力平均為1971.16kN（為額定工作阻力的18.77%），最大工作阻力3505.98kN（為額定工作阻力的33.39%），工作阻力分布在0～2000kN，占統計循環數的46.47%，分布在2000～4000kN 范圍，占統計循環數的53.53%。

（3）機尾：工作阻力平均為2238.28kN（為額定工作阻力的21.32%），最大工作阻力3185.18kN（為額定工作阻力的30.34%），工作阻力分布在0～2000kN 范圍，占統計循環數33.93%，工作阻力分布在2000～4000kN 范圍，占統計循環數66.07%。

3.4 超前支承壓力分析

為監測4210 工作面超前支撐壓力的分布情況，在工作面運輸巷道1200m 處斷面內布置鉆孔應力計測站，回采幫鉆孔深度分別為3m、6m、9m、12m 和15m，編號分別為1#、2#、3#、4#、5#，孔間距均為1m，如圖2 所示，用于分析超前支承壓力。

圖2 鉆孔應力計監測測站位置圖

隨著工作面的推進，在采動影響下煤體超前支承壓力先逐漸上升，在靠近工作面附近時壓力下降。工作面煤體超前支承壓力影響范圍在超前工作面前方104m 左右，影響較為明顯范圍是30～60m 左右，影響劇烈范圍是6～30m 左右。

4 結論

4.1 4210 工作面上覆巖層三帶高度分別為：垮落帶高度為34.88m，裂隙帶高度為62.97～80.77m，彎曲下沉帶高度為484.35～502.15m。

4.2 基于老頂梁式破斷及極限跨距和板式破斷及極限跨距理論分別推演了頂板垮落、破斷情況，并理論計算了工作面老頂初次斷裂步距為40m 左右，周期來壓步距為25m 左右。

4.3 實測結果表明：老頂初次來壓步距機頭最長，機尾最短，初次來壓步距36m～47m，平均為43.11m；周期來壓步距一般為23.56m～26.00m，平均為為24.89m。老頂來壓沿工作面方向并不是同時顯現的。

4.4 由統計數據可知，支架選型能夠完全能夠滿足該工作面安全生產要求。

4.5 工作面煤體超前礦壓影響范圍基本在工作面前方104m 左右，距工作面同樣距離的地點越靠近煤體內部受到超前支承應力的影響越大，影響較為明顯范圍是30～60m 左右，在距離工作面16m 左右處為支承壓力峰值位置。因此，巷道超前支護范圍至少60m。