3206工作面礦壓顯現(xiàn)及端面頂板控制研究

鄭強英

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團臺頭煤焦有限責任公司，山西 臨汾 042100）

為了緩解采掘接替緊張的局面，我國煤礦采區(qū)一般采用跳采的方式。通過間隔一個工作面的煤柱可以減少回采對巷道掘進的影響，有利于巷道的維護，但最終會形成一個兩側(cè)采空的孤島工作面。理論研究和現(xiàn)場觀測均表明，孤島工作面的礦壓顯現(xiàn)劇烈，巷道變形、端面失穩(wěn)等現(xiàn)象嚴重[1-5]。臺頭煤業(yè)3206工作面為孤島工作面，回采初期煤壁片冒頻發(fā)，支架擠架咬架嚴重，因此開展孤島工作面礦壓觀測和端面控制研究，對實現(xiàn)礦井的安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

山西臺頭煤業(yè)3206工作面位于三采區(qū)北翼，埋藏深度500～610 m，開采2號煤，煤層均厚3.0 m，結(jié)構(gòu)簡單，含有1～2層夾矸，煤層傾角5°～16°，平均10°。煤層頂?shù)装鍘r性如圖1。

圖1 2號煤頂?shù)装鍘r性

1.2 生產(chǎn)條件

三采區(qū)北翼采用的是間隔跳采的方式，3206工作面東西兩側(cè)為采空區(qū)，南側(cè)為采區(qū)大巷，北側(cè)為采區(qū)邊界。工作面采用綜合機械化走向長壁開采，全部垮落法處理頂板。工作面傾斜長度168 m，走向長度1350 m，主要設(shè)備見表1。液壓支架的中心距為1.5 m，工作阻力6000 kN，初撐力5064 kN，支護強度為0.8～0.92 MPa，采用本架操作的方式。

表1 3206工作面主要設(shè)備

1.3 存在的問題及原因

3206工作面回采之后工作面片幫、冒頂次數(shù)顯著增加，多次發(fā)生支架擠架、咬架現(xiàn)象，推進速度緩慢，對生產(chǎn)造成了嚴重的影響。分析原因主要有以下幾個方面：

（1）液壓支架受力狀態(tài)復(fù)雜

3206工作面傾角大，造成支架切向分力增大，支架下滑的趨勢增大。在端面破碎或冒頂區(qū)域，支架更容易發(fā)生失穩(wěn)，這導(dǎo)致工作面支架的受力狀態(tài)更加復(fù)雜。

（2）工作面所受支承壓力大

工作面兩側(cè)為采空區(qū)，受采空區(qū)殘余支承壓力的影響，工作面應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜。研究表明，孤島工作面的垂直支承壓力和水平支承壓力的應(yīng)力集中系數(shù)在2以上，并且影響范圍更大。

（3）2號煤強度低

2號煤煤質(zhì)較軟，煤層內(nèi)節(jié)理裂隙比較發(fā)育，抗壓和抗剪強度低，在頂板作用下裂隙容易貫通，造成片幫甚至冒頂。

（4）偽頂?shù)拇嬖?/p>

2號煤層的直接頂板為0.2 m的泥巖偽頂，松散破碎，一般隨采隨冒。工作面回采過程中如果未及時移架，容易在支架前方形成冒頂。

（5）支架檢修不及時

3206工作面所用的ZY6000/17/35液壓支架已經(jīng)在井下連續(xù)回采多個工作面，支架液壓系統(tǒng)故障率相對較高，部分支架工作阻力無法保證，控頂能力差。

2 礦壓觀測及分析

在3206工作面設(shè)置5個測站，分別布置在20#、40#、60#、80#、100#支架處，對工作面回采過程中的礦壓顯現(xiàn)情況進行觀測。觀測內(nèi)容和目的見表2。

表2 觀測內(nèi)容及目的

2.1 支架工作阻力觀測

采用YHJ60綜采支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)對支架工作阻力進行監(jiān)測，來壓和非來壓期間5個測點的工作阻力數(shù)值見表3。

表3 支架工作阻力統(tǒng)計

由統(tǒng)計結(jié)果可以看出，3206工作面來壓期間，支架的動載系數(shù)平均為1.27，但工作面不同區(qū)域的來壓情況不同。工作面上部支架的來壓明顯小于中下部，工作面下部來壓最為劇烈。

2.2 片冒統(tǒng)計

現(xiàn)場觀測表明，3206工作面端面失穩(wěn)以片幫為主，片幫的主要形式為滑落式和拉裂式，如圖2。片幫位置主要發(fā)生在煤壁的上部，占比63%，片幫深度普遍小于0.7 m，片幫長度一般集中在兩個支架范圍內(nèi)，片幫高度多為0.5 m。觀測期內(nèi)觀測到一處冒頂，冒頂高度為0.5 m，在98號支架范圍內(nèi)，最大深度為0.6 m。

圖2 3206工作面片幫主要形式

在整個工作面范圍內(nèi)，上中下部均觀測到片幫現(xiàn)象，但中下部發(fā)生頻率明顯高于上部，端面穩(wěn)定控制問題更加突出。

2.3 來壓步距

在工作面回采期間，進行了4個周期來壓的觀測統(tǒng)計，結(jié)果見表4。

表4 基本頂來壓步距統(tǒng)計（單位：m）

由表4可以看出，3206工作面基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄酁?0.31 m。

2.4 端面穩(wěn)定性影響因素

3206工作面礦壓觀測表明，工作面端面失穩(wěn)以片幫為主，并且煤壁片深與支架的工作狀態(tài)如工作阻力、端面距、頂梁臺階、頂梁俯仰角等有密切的關(guān)系。端面距、頂梁臺階和俯仰角越大，端面穩(wěn)定性越差，片深越大。而支架工作阻力對端面穩(wěn)定的影響程度最大，分析表明，兩者呈反比例關(guān)系，如圖3。

圖3 片深與支架工作阻力回歸分析結(jié)果

由分析結(jié)果可知，在片幫嚴重的區(qū)域，可以通過調(diào)節(jié)支架位態(tài)、保證支架工作阻力等措施減少片幫，提高端面穩(wěn)定性。

2.5 支架選型評價

3206工作面的初次來壓步距約為15.7 m，并且直接頂板為炭質(zhì)泥巖，裂隙不發(fā)育。根據(jù)直接頂分類指標及參考要素，確定3206工作面直接頂屬于2b類中等穩(wěn)定頂板。

基本頂?shù)姆旨壷笜耸腔卷敵醮蝸韷寒斄縋e。

式中：Lf為基本頂初次來壓步距，m；hi為直接頂巖層的厚度，m；hm為煤層采高，m。

代入計算可得，3206工作面基本頂初次來壓當量為984，對照基本頂分級標準，該頂板為Ⅲ級，來壓強烈。

根據(jù)頂板分級分類的結(jié)果，確定工作面支架架型應(yīng)為掩護式或支撐掩護式，且支架支護強度應(yīng)大于0.55 MPa。3206工作面所采用的ZY6000/17/35支架為支撐掩護式支架，支護強度大于0.8 MPa，能夠滿足頂板控制的要求。

3 端面穩(wěn)定性控制措施及效果

3.1 控制措施

（1）保證支架工作阻力

采用YHX型泄漏故障檢測儀對支架液壓系統(tǒng)泄漏情況進行檢測，發(fā)現(xiàn)泄漏的及時處理，同時對支架液壓系統(tǒng)進行全面的維修，保證支架初撐力在額定值的90%以上。由安監(jiān)科組織人員在生產(chǎn)班對支架工作阻力進行不定期抽查，如果有5架支架的工作阻力不達標，則現(xiàn)場整改，超過5架時，則記錄在案并對綜采隊處以罰款。

（2）及時帶壓移架

工作面采煤機割煤之后，迅速降低支架高度，及時將支架前移，與割煤速度相適應(yīng)，避免頂板長時間裸露。在支架頂梁和底座之間設(shè)置一油缸，可以將支架底座上提，如圖4，實現(xiàn)貼頂離地移架，在保護頂板完整性的同時提高了移架速度。

（3）增加護幫板的使用

在3206工作面回采過程中，提前采煤機2個支架將護幫板收起，采煤機割煤移架后，及時將護幫板伸出，盡可能延長護幫的時間。

3.2 效果分析

3206工作面回采350 m后，通過采取以上措施，片冒事故明顯減少，僅來壓期間能夠觀測到零星的煤壁片幫，片幫長度和深度均小于0.5 m，端面頂板穩(wěn)定，推進速度明顯加快。

圖4 快速移架裝置

4 結(jié)論

（1）3206孤島工作面受支架受力狀態(tài)、兩側(cè)采空區(qū)殘余支承壓力、支架工作狀態(tài)以及2號煤強度等因素的影響，造成端面事故頻發(fā)。

（2）3206孤島工作面的端面失穩(wěn)以片幫為主，片幫的大小與支架工作狀態(tài)密切相關(guān)，提高支架工作阻力、減少端面距有利于片幫控制。

（3）3206工作面頂板為Ⅲ級2b類，來壓較為劇烈，ZY6000/17/35支架支護強度為0.8～0.9 MPa，能夠滿足頂板控制的要求。

（4）基于現(xiàn)場礦壓觀測資料，通過采取提高支架工作阻力、及時帶壓移架、支架防倒防滑等措施，實現(xiàn)了3206孤島工作面的安全回采，為類似條件下的煤炭資源開采積累了經(jīng)驗。