1303（上）綜采面礦壓顯現(xiàn)特征實測分析

張華杰

（山西晉煤集團沁水胡底煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

煤層開采后，覆巖在自身重力及其上部巖層的作用下變形破壞，從而在工作面處產生強烈的礦壓顯現(xiàn)，進而導致支架工作阻力的急劇變化，煤壁的破壞以及失穩(wěn)等各種礦壓現(xiàn)象，嚴重的將誘發(fā)安全事故[1-3]。因此，掌握工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律并以此指導現(xiàn)場生產，對于礦井的安全高效生產具有十分重要的現(xiàn)實意義[4-5]。本文以胡底煤礦1303（上）綜采面為工程實例，通過制定完善的系統(tǒng)監(jiān)測方案，對工作面支架工作阻力及超前支承壓力進行實時監(jiān)測；詳細分析了工作面來壓情況、支架動載特點及超前支承壓力特征。

1 工程概況

胡底煤礦地處沁水煤田的南部，行政上隸屬山西省晉城市沁水縣胡底鄉(xiāng)，主采煤層為3 號煤層與15 號煤層。礦井設計生產能力為0.6 Mt/a，設計服務年限為22.4 a。主采3 號煤層位于山西組下部，上距下石盒子底砂巖（K8）31.74～42.33 m，下距山西組底砂巖（K7）3.30～9.69 m，距太原組頂部K6灰?guī)r10.51～14.95 m，煤層全區(qū)穩(wěn)定可采。

1303（上）工作面位于+200 水平3 號煤一盤區(qū)，工作面標高為+123～+182 m。該工作面北為5 條開拓大巷，東為1305（上）工作面（正在掘進），南為礦界，西為1301（上）工作面采空區(qū)。綜采面長175 m，推進長度為794 m，工作面煤層厚度為5.20～6.15 m，平均厚度5.72 m，煤層傾角3°～10°，平均6°。煤層結構簡單穩(wěn)定，該工作面回采上分層平均采高在2.85 m。

2 礦壓監(jiān)測方案

2.1 工作面礦壓監(jiān)測

工作面礦壓監(jiān)測系統(tǒng)主要由YHJ60 型礦用本安型壓力儀、YHC1 礦用本安型數(shù)據采集儀、數(shù)據傳輸適配器及相應的數(shù)據處理軟件組成。通過對數(shù)據進行處理及分析進而判斷直接頂初次跨落、老頂初次來壓與周期來壓情況。同時可以對液壓支架工作狀態(tài)包括工作阻力、初撐力等進行分析評價。

為便于監(jiān)測，分別將1303（上）綜采面分為上、中、下3 個測區(qū)，每個測區(qū)分別布置4 個YHJ60 型礦用本安型壓力儀，結合測點布置情況，選擇在1#、9#、19#、29#、39#、49#、59#、69#、79#、89#、99#、109#支架處安裝壓力儀進行礦壓實時監(jiān)測（見圖1）。

圖1 工作面礦壓測區(qū)布置

2.2 超前支承壓力監(jiān)測

主要采用尤洛卡礦業(yè)安全工程股份有限公司生產的礦用應力檢測系統(tǒng)進行超前支承壓力進行監(jiān)測，見圖2。該系統(tǒng)主要由GYW25 圍巖應力傳感器（鉆孔應力計）和FCH2G/1 礦用本安型手持采集器組成。傳感器分別由液壓枕、不銹鋼油管及顯示器等器件組成。在1303（上）綜采面前方共布置7 個監(jiān)測點用以監(jiān)測超前支承壓力分布情況，其中1#測點鉆孔深度為8 m，2#～7#測點鉆孔深度均為10 m。利用采集器每7 天對鉆孔內應力數(shù)據進行一次采集，通過鉆孔應力數(shù)據判斷工作面走向超前支承壓力的影響范圍和強度，并用以指導工作面兩巷超前支護范圍及支護強度。

圖2 礦用應力檢測系統(tǒng)

3 礦壓顯現(xiàn)分析

3.1 來壓步距

由于支架的工作阻力處于不斷的變化當中，因此需要確定支架來壓判據，用以判斷頂板是否來壓。通常，采用比較支架的實測循環(huán)阻力與各循環(huán)阻力平均值和其標準差之和的大小的方法作為判斷頂板是否來壓的依據，即：當P≥+σ時，頂板發(fā)生周期來壓；P＜+σ頂板不發(fā)生周期來壓。

各個測點支架循環(huán)阻力平均值的均方差可以由式（1）確定：

式中：σ為循環(huán)工作阻力平均值的均方差，MPa；n為實測循環(huán)個數(shù)；Pi為各循環(huán)的實測循環(huán)工作阻力，MPa；為循環(huán)工作阻力的平均值，MPa。

表1為各個測點處支架來壓判據計算結果，可見工作面不同測點處的工作阻力具有明顯的差異性，工作面兩端頭位置處的工作阻力最小，平均值在16～17 MPa 之間，而工作面中部位置處支架平均工作阻力相差并不大，說明在工作面中部頂板來壓具有同步性。基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?2.5～28.8 m，周期來壓步距為6.2～14.4 m。

表1 各支架來壓判據計算

3.2 支架來壓

當基本頂破斷巖塊回轉或切落將導致直接頂變形量的突然增加，當變形量增加至臨界值時，直接頂發(fā)生失穩(wěn)破壞。而基本頂由于周期性破斷將沖擊到直接頂和支架上，產生支架的動載效應，嚴重的將可能誘發(fā)壓架事故[6]。工作面來壓強度可以采用動載系數(shù)K來標識，其值由下式計算：

式中：Pz為支架在周期來壓期間的平均工作阻力，MPa；Pf為支架在非周期來壓期間的平均工作阻力，MPa。

表2為工作面開采期間不同測點處支架動載系數(shù)，可見工作面不同位置處支架的動載系數(shù)不盡相同，但總體上呈工作面下部區(qū)域動載系數(shù)較大，最大為2.78，最小為1.71，平均為2.18；工作面中部及上部動載系數(shù)則較小，中部平均為1.85，下部平均為1.71。

表2 工作面開采期間動載系數(shù)

3.3 超前支承壓力

分別取1#、3#、5#、7#鉆孔工作面超前支承壓力觀測數(shù)據進行分析，見圖3。

圖3 工作超前支承壓力分布

1#鉆孔內鉆孔應力計安裝位于煤壁內8 m深的位置，工作面不斷向前推進，超前支承壓力也不斷增大；在距離煤壁約21 m 時，超前支承壓力達到峰值，最大值為7.53 MPa，平均值為4.2 MPa，應力集中系數(shù)為1.79； 超前煤壁11～73 m 區(qū)間應力最大。

3#鉆孔內鉆孔應力計均安裝在距離煤壁10 m位置，工作面不斷向前推進，超前支承壓力不斷增大；在距工作面煤壁距離約10 m 時，超前支承壓力達到峰值，最大值為9.51 MPa，平均值為5.87 MPa，應力集中系數(shù)為1.62；超前煤壁7～62 m 區(qū)間應力最大。

5#鉆孔，在距煤壁距離約9 m 處時，超前支承壓力達到峰值，最大值達到9.99 MPa，應力平均值為4.35 MPa，應力集中系數(shù)為2.3；超前煤壁4～48 m區(qū)間應力最大。

7#鉆孔，在煤壁約為26 m 處，超前支承壓力應力達到峰值，最大值為7.31 MPa，平均值為3.64 MPa，應力集中系數(shù)為2.0；超前煤壁10～43 m 區(qū)間應力最大。

綜上分析，可以將工作面前方煤體劃分為三個區(qū)，分別為塑性區(qū)，彈性區(qū)，原巖應力區(qū)。其中塑性區(qū)煤體由于受到超前支承壓力的作用首先達到極限強度，從而發(fā)生破壞，承載能力驟降；超前支承壓力的峰值位置即為煤壁前方塑性區(qū)與彈性區(qū)交界處；超前支護范圍應該將超前支承壓力劇烈影響區(qū)包括在內，超前支護距離應在工作面前方70 m 范圍內。

4 結語

通過現(xiàn)場實測，1303（上）綜采面礦壓顯現(xiàn)特征主要有3 點：

1）工作面上中下三個區(qū)域內基本頂初次來壓及周期來壓步距基本一致，基本頂在工作面不同位置處基本為同步來壓，基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?2.5～28.8 m，周期來壓步距為6.2～14.4 m。

2）工作面下部區(qū)域動載系數(shù)較大，最大為2.78，最小為1.71，平均為2.18，而工作面中部及上部動載系數(shù)則較小，中部平均為1.85，上部平均為1.71。

3）超前支承壓力主要分布在距工作面4～73 m范圍內，應對此范圍內的順槽超前加強支護；超前支承壓力的峰值點位于距工作面9～31 m 范圍內，最大應力值為7.1～9.99 MPa； 應力集中系數(shù)為1.62～2.3，平均應力集中系數(shù)為1.94。

以上分析探討，可為今后類似條件工作面開采提供經驗借鑒。