傾斜長壁工作面礦壓顯現規律及控制技術研究

張 凱

（山東能源臨礦集團菏澤煤電公司，山東 菏澤 274700）

隨著煤炭開采向深部進一步延伸，“三高一擾動”對礦井的危害愈發明顯，特別是傾斜長壁工作面受上覆巖層壓力影響底鼓、片幫更為明顯，嚴重威脅著礦井生產和工人安全[1-3]。郭屯煤礦主井深853 m，副井深883 m，風井深778 m，屬于埋深較大的礦井之一。受大采深的上覆巖層壓力影響，3303 傾向長壁工作面圍巖變形嚴重。為保證礦井安全生產，對3303 工作面礦壓規律進行研究并提出合理圍巖控制方案。

1 工程概況

郭屯煤礦位于山東省菏澤市境內，井田面積69.33 km2，可采儲量16 460.7 萬t，礦井設計生產能力240 萬t/a，服務年限52.4 a。礦井當前主采3號煤層，煤層厚度5.38～6.35 m，平均5.65 m，煤層傾角3.1°～7.9°，平均5.5°，煤層賦存穩定，結構簡單，裂隙較發育。3303 工作面走向長度1150 m，傾向長度180 m，煤層厚度4.23～5.87 m，平均厚度為4.85 m，煤層傾角5.2°～12.1°，平均9.1°，走向俯斜開采1°～5°，平均3°。

2 工作面礦壓顯現規律實測

2.1 工作面液壓支架工作阻力監測

工作面沿傾斜方向劃分為上、中、下三個測區，每個測區設置8 臺監測分站，將監測分站的兩個監測通道與液壓支架的兩個主立柱連接起來。通過頂板來壓的動載壓力與支架靜載壓力的比值，也即動載系數來反映上覆巖層運動情況。動載系數小于1.2時來壓不明顯，位于1.2～1.5 之間時來壓明顯，位于1.5～2.0 之間時來壓強烈，大于2.0 表明來壓極其強烈[4]。

如表1 所示，通過對工作面液壓支架工作阻力監測，分析得出工作面的動載系數?？梢钥闯?，工作面在回采時頂板來壓明顯，且上部區域來壓最為明顯。如表2 所示，根據工作面三個區域的周期來壓規律分析得出下部、中部及上部區域的頂板周期來壓步距分別為17.5 m、16.2 m 及14.7 m。

表1 不同區域支架動載系數統計

表2 不同區域基本頂周期來壓步距

2.2 巷道圍巖變形觀測

巷道圍巖變形觀測采用十字布點法，分別在軌道順槽和皮帶順槽超前工作面150 m 處布置一組測點，在工作面回采初期每周觀測2～3 次，工作面推進50 m 后每天觀測一次，工作面推進到與測點距離50 m 后，每天觀測2～3 次。

如圖1，當工作面與軌道順槽測點距離50 m 時圍巖變形速率加快，頂底板最大移近量為1533 mm，兩幫最大移近量為1128 mm；當工作面與皮帶順槽測點距離45 m 時圍巖變形速率加快，頂底板最大移近量為1217 mm，兩幫最大移近量為921 mm。

圖1 巷道圍巖最大變形量

3 理論分析

傾斜長壁工作面在回采過程中，采空區頂板周期性垮落，上部區域冒落的頂板碎石沿著傾向向工作面下方滾落、滑移，形成下部壓實區、中部充分充填區和上部不充分充填區。由于三個區域的采空區矸石對頂板的支承反力不同，因此隨著工作面循環推進，導致頂板的周期性垮落步距也不相同。

工作面下部區域采空區為壓實區，對上覆巖層的支承反力更強，可將其基本頂簡化為兩端固支梁，梁內任意點的正應力為：

在極限應力狀態下，工作面下部區域頂板周期性垮落步距為[5]：

式中：στ為基本頂抗拉強度，MPa；q 為基本頂單位面積承受的載荷，MPa；h 為基本頂厚度，m。

工作面上部區域形成特殊的巖層空間，對煤體的作用力也較大，使上部區域工作面和巷道出現片幫。

上部區域建立彈性地基梁模型。通過計算得到上部區域頂板垮落步距為：

通過代入具體數據可知，傾斜長臂工作面上、中、下區域的周期垮落步距不同，其中上部區域垮落步距最小，中部區域次之，下部區域最大。

4 圍巖控制技術及效果

根據上文分析的上覆巖層頂板破斷規律、實測的礦壓顯現規律和理論分析的采空區充填特征，針對性地提出礦壓控制措施。

4.1 煤層高壓注水措施

根據工作面壓力情況，在軌道順槽施工高壓注水孔。注水孔距離工作面不低于100 m，孔間距不大于10 m，注水孔孔口高度低于巷道頂板1～1.5 m，注水孔垂直于煤幫，傾角和煤層傾角一致，孔深為80 m，注水壓力為6～12 MPa。

4.2 頂板深孔預裂爆破措施

軌道順槽頂板預裂爆破孔每20 m 設置一組，每組三個爆破孔，鉆孔角度在傾向方向與頂板夾角70o±5°偏向工作面方向，在走向方向分別與頂板夾角45°、90°、134°，呈扇形分布，爆破孔孔底與頂板垂距8 m。爆破采用煤礦許用二級乳化炸藥，使用毫秒延期電雷管，每眼裝藥13 kg，每孔使用2 發同段電雷管，采用正向起爆方式。

4.3 超前支護

工作面上、下兩順槽從工作面出口向外支設三路，使用HDJB-1000 型金屬鉸接頂梁配合DZ 型單體液壓支柱一梁一柱正懸臂走向支護。根據巷道圍巖移近量觀測變形速率的拐點，確定軌道順槽超前支護不小于50 m，皮帶順槽超前支護不小于45 m。另外，在軌道順槽上幫每隔2 m 支設一棵液壓支柱，長度不小于100 m。超前壓力較大時，應根據壓力顯現情況加大超前支護范圍和支護密度；巷道高度超過3.5 m 時，采取打木垛方法接頂。超前支護的單體初撐力不得低于11.5 MPa。

4.4 應用效果

現場采取相應圍巖控制措施后，在3303 工作面軌道順槽中心位置布置測站進行位移監測，監測周期60 d。如圖2，觀測結果表明采取的圍巖控制措施效果良好，能充分滿足現場安全生產的需要。

圖2 巷道表面位移變化曲線

5 結論

（1）通過現場實測可以得到，3303 工作面在回采的過程中，其超前支承應力、圍巖變形量和礦壓顯現具有非對稱性特征，軌道順槽和工作面上部區域的礦壓顯現明顯較大。

（2）通過理論分析可知，工作面回采后會形成不同的采空區充填特征，上中下三個區域分別為不充分充填區、充分充填區、壓實充填區，三個區域所構成的支架圍巖關系也不同。

（3）確定超前支護范圍軌道順槽不小于50 m，皮帶順槽不小于45 m，提出煤層高壓注水和深孔預裂爆破卸壓措施?，F場礦壓觀測結果表明，采取的措施能充分滿足現場安全生產需要。