22203工作面礦壓監測與結果分析

吳建紅

（山煤集團煤業管理有限公司晉北分公司，山西 大同 037100）

煤炭在我國未來經濟發展的能源供給上仍占據著重要地位。我國已有的煤炭資源儲量統計數據表明，厚煤層堅硬頂板煤炭資源儲量約占全國儲量的1/3； 其中堅硬頂板失穩破斷產生強壓事故發生比例較高，表現為大面積懸頂、不易垮落、垮落時來壓大，易造成支架壓死等礦壓事故，極大地影響了礦井安全生產[1-3]。因此，掌握厚煤層堅硬頂板工作面礦壓顯現規律對于工作面安全回采有著重要的意義。

1 工程概況

1.1 工作面概況

韓家洼煤礦回采煤層為22 號煤，為黑色半亮型煤為主，暗煤次之。夾矸為灰色、塊狀，含高嶺質、節理發育的泥巖。煤層厚度10.3～12.7 m，平均厚度11.5 m，煤層傾角2°～8°，煤層結構復雜。老頂為砂巖，厚度為4.2～26.9 m，整體性好，賦存穩定，強度高，屬于堅硬頂板。22203 綜放工作面的煤層頂底板巖性特征見表1。

表1 韓家洼煤礦22203 綜放工作面煤層頂底板巖性特征

22203綜放工作面采用低位放頂煤開采的采煤方法，推進方向為沿煤層底板由北向南推進，采用全部垮落法管理采空區頂板。綜合考慮工作面設備及煤層賦存條件等，確定采高為3.0 m，放頂煤高度為8.5 m。

1.2 礦壓顯現特點

在堅硬頂板和厚煤層綜放開采的雙重作用下，韓家洼煤礦22 號煤層綜放工作面礦壓顯現較普通工作面更加強烈（見圖1），主要體現在：

圖1 工作面兩側巷道圍巖破壞

（1）由于頂板堅硬，容易形成大面積懸頂，來壓時礦壓較大；

（2）由于開采高度較大，頂板下沉空間較大，頂板垮落時容易對支架造成沖擊；

（3）由于厚煤層綜放作業時間較長，導致頂板對煤壁作用壓力時間增長，容易導致大面積片幫。

（4）受工作面強烈的超前支承壓力影響，在超前工作面前方約100 m 范圍內兩側順槽巷道礦壓顯現劇烈，巷道變形量大，錨桿(索)有破斷現象發生。

上述強烈的礦壓顯現已嚴重影響了韓家洼煤礦的安全、高效生產。因此，迫切需要結合韓家洼煤礦22 號煤的具體工程地質條件與生產技術條件，深入研究厚煤層綜放工作面堅硬頂板破斷運動規律與礦壓顯現特征，為工作面安全高效開采提供理論依據和技術指導。

2 礦壓監測設備與監測方案設計

在工作面支架上安裝20 部GPD60 礦用本安型壓力傳感器，工作面兩端各安裝1 部，中部均勻布置18 部，數據傳輸到KJ515 礦用本安型分站，分站再通過線路將數據傳輸到地面服務器，每天24 小時連續記錄支架壓力變化，進而判斷頂板來壓情況。工作面開始回采后，定期統計各項觀測數據，直接頂初次垮落后，每班對各項礦壓數據統計一次，直至老頂初次來壓結束，之后每天觀測一次。測區布置及儀器布設見圖2。

圖2 工作面礦壓監測測站和儀器布置

3 頂板運動規律

3.1 直接頂厚度

式中：h為采高；mz為直接頂厚度；KA為巖梁觸矸處已冒落巖層的碎脹系數；SA為巖梁觸矸處沉降值[4]。

由于22203 綜放工作面設計采高為3.0 m，因此 把h=3.0 m，SA=0.48 ～0.84h，KA=1.25 ～1.35/1.3 代入上式中，求得直接頂平均厚為mz=3.4 m。結合工作面巖層情況判定，直接頂由22 號煤頂部細砂巖組成，平均厚度約3 m。

3.2 直接頂分類

為了確定頂板巖層的具體屬性，將直接頂分為1～4 類，其中D為直接頂的強度指標[4]。

經計算D=10σcC1C2=10×70×0.47×0.38

=125.02

式中：σc為巖石單向抗壓強度，取70 MPa；C1為巖石節理裂隙間距，取經驗值0.47；C2為巖石完整性系數，取經驗值0.38；直接頂初次垮落步距約35 m，因此可確定22203 工作面頂板為堅硬頂板。

表2 直接頂分類指標

3.3 老頂分類

老頂的分級主要根據直接頂厚度與采高的比值N=∑hz/h，再參照老頂初次垮落步距L0，將老頂分為4 級，見表3[4]。式中：N為直接頂與采高的比值； ∑hz為直接頂累計厚度，取∑hz=3.0 m；h為煤層采高，取3.0 m；L0為老頂初次來壓步距，取70 m。

代入公式得N=1，由于L0=70 m，參照表3可知22203 工作面老頂級別為Ⅲ級，老頂來壓顯現強烈。

表3 老頂分級

3.4 來壓步距

22203綜放工作面液壓支架型號為ZF7500/18/35，取液壓支架工作阻力超過最大工作阻力的85%即6 375 kN時，可以判斷為頂板來壓。實測2個支架循環末工作阻力隨工作面推進的變化曲線見圖3，各個測站部位頂板的初次來壓和周期來壓步距見表4。從圖表中可以發現：工作面30#支架，周期來壓步距平均為33.5 m； 工作面50#支架，周期來壓步距平均為34.5 m。工作面各部位老頂初次來壓步距平均70 m； 各部位周期來壓步距30～40 m，平均34 m。

圖3 工作面支架循環末阻力隨工作面推進的變化情況

表4 各個測站部位頂板的初次來壓和周期來壓步距

4 礦壓顯現規律

4.1 支架阻力

表5為工作面不同部位頂板來壓對支架阻力影響，平均動載系數為1.2，屬于來壓較明顯的綜放工作面。

表5 支架實測頂板來壓時支架工作阻力變化

4.2 支架初撐力

支架循環初撐力統計結果見表6：30#與50#的支架初撐力分別為額定初撐力(6 185 kN)的98%和95%，工作面初撐力利用率較高。30#、50#的支架初撐力在5 300～7 500 kN區間分別占89.6%和85.7%，支架初撐力分布頻率主要集中在此區間，而支架額定初撐力為6 185 kN，說明大部分液壓支架初撐力大于額定初撐力。但是，還有一小部分支架的初撐力小于2 300 kN，若初撐力較小將對控制早期頂板下沉不利，不利于保持頂煤和直接頂的完整性，不利于工作面支架安全維護，應予以重視，以保證支架初撐力達到合格值。

表6 支架初撐力統計

4.3 支架循環末阻力

支架循環末阻力統計結果見表7：30#與50#的支架循環末阻力平均值分別為額定工作阻力(7 500 kN)的97.4%和96.6%，工作面礦壓顯現明顯。30#、50#的支架循環末阻力在6 000～7 500 kN區間分別占92.4%和88.9%，支架循環末阻力主要集中在此區間，說明支架工作阻力得到了充分利用，支架利用率較高，支架的選型比較合理。

表7 支架循環末阻力統計

5 結語

針對韓家洼煤礦22 號煤22203工作面堅硬頂板礦壓顯現異常等問題，本文采用現場實測方法，對22203 工作面回采過程中的礦壓進行了監測，分析結果可知：

1）22203綜放工作面煤層頂板屬堅硬頂板，老頂級別為Ⅲ級老頂，來壓顯現強烈。老頂初次來壓步距平均70 m，工作面各部位來壓時間和來壓步距均不同；老頂周期來壓步距平均34 m。

2）綜放工作面的支架初撐力在5 300 ～7 500 kN區間分別占89.6%和85.7%，支架初撐力較高，工作面支護質量管理較好；支架末阻力在6 000～7 500 kN區間分別占92.4%和88.9%，支架工作阻力較大，支架利用率較高；工作面周期來壓的平均動載系數為1.2，屬于來壓較明顯的綜放工作面。