綜采工作面不規(guī)律生產期間礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

李云飛，解振華，楊龍龍

(國能神東煤炭集團烏蘭木倫煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017205)

0 引言

當前我國大部分煤礦已經實現(xiàn)機械化開采，但存在檢修、停產、政策性等各種因素而造成綜采工作面生產不規(guī)律的問題，導致綜采面礦壓增加明顯，生產過程中頂板冒落[1-2]；停止生產時，工作面頂板下沉，造成后續(xù)生產過程中煤機無法通過，進一步增加綜采工作面安全風險[3-4]。

各專家學者多年來從不同的角度對礦壓理論進行了研究[5-10]，隨著現(xiàn)代數(shù)學理論的發(fā)展，非線性理論和分形理論也被應用到礦壓理論分析[11-12]，基于研究和現(xiàn)場實踐工作，從日常觀察數(shù)據(jù)總結、分析。為準確掌握綜采工作面在不規(guī)律生產期間礦壓變化規(guī)律，準確預測綜采工作面停產期間壓力變化趨勢和變化幅度，有針對性的對頂板壓力進行監(jiān)測，在最合理的時間提前規(guī)避壓力；根據(jù)頂板下沉，減少頂板事故的發(fā)生，控制了安全隱患，合理安排礦井生產時間，為礦井配煤和檢修贏取最佳時間。

1 工作面概況

1.1 四鄰關系

12404綜采面為1-2煤四盤區(qū)第4個工作面，西南側為12425～12427采空區(qū)，北側為12405綜采面(實體煤)，東為1-2煤四盤區(qū)3條大巷、南側為12403采空區(qū)，如圖1所示。

圖1 12404-1綜采面示意Fig.1 12404-1 fully mechanized mining face

1.2 地質概況

該區(qū)呈沙丘地貌，地表基本為第四系風積沙所覆，沙丘、沙垅發(fā)育，地表植被叢生。根據(jù)順槽揭露情況，煤層表現(xiàn)為寬緩波狀起伏，總體為正坡推進，上覆基巖厚117～135 m，第四系松散層厚14～16 m，松散層不含水。煤層傾角為1°～3°，煤層厚1.9～2.4 m，平均2.2 m，設計采高2.7 m。

1.3 工作面頂?shù)装鍘r性

工作面直接頂板巖性為細粒砂巖，自然狀態(tài)下較為堅固，日曬后易于風化，飽水后強度降低并具明顯塑性。自然狀態(tài)下抗壓強度32.63 MPa，飽水后抗壓強度降為24.12 MPa，普氏系數(shù)3.31，軟化系數(shù)0.60。該巖組按軟化系數(shù)評價，工程地質性質較差，按普氏系數(shù)評價為中等堅固巖石。按RQD值評價為中等完整巖層。

工作面底板巖性為泥巖，自然狀態(tài)下較為堅固，日曬后易于風化，飽水后強度降低并具明顯塑性。自然狀態(tài)下抗壓強度28.44 MPa，飽水后抗壓強度降為18.57 MPa，普氏系數(shù)2.82，軟化系數(shù)0.57。按普氏系數(shù)評價為中等堅固巖石。按RQD值評價為完整性差的巖石層。

工作面老頂為粗粒砂巖，自然狀態(tài)下抗壓強度32.63 MPa，飽水后抗壓強度降為24.12 MPa，普氏系數(shù)3.31，軟化系數(shù)0.60，巖石質量指標RQD值，全膠結巖石70%～74%，半膠結巖石51%～62%。該巖組按軟化系數(shù)評價，工程地質性質較差，按普氏系數(shù)評價為中等堅固巖石。按RQD值評價為中等完整巖層。

1.4 煤質情況

12404綜采面回采煤層為1-2煤層，煤層發(fā)熱量21.7 MJ/kg，水分18.8%，灰分11.7%，硫份0.6%。在回采過程中，因煤層厚度在1.9～2.4 m，設計采高2.7 m，實際回采煤層發(fā)熱量低于21.7 MJ/kg，不能滿足礦井經濟效益，故在實際生產過程中需與其他煤層進行配合開采，造成該工作面在特定時間狀況下不規(guī)律生產。

2 工作面礦壓監(jiān)測

該綜采工作面采用尤洛卡KJ216系統(tǒng)把工作面各支架礦壓數(shù)據(jù)上傳到電腦，人為下載數(shù)據(jù)進行監(jiān)督，兩順槽采用人工制作記號，觀察頂板底下沉量和頂板離層儀進行觀測。

2.1 工作面礦壓觀測手段

通過調取尤洛卡KJ216礦壓觀測值，利用Excel軟件繪制成壓力曲面圖，每隔50 bar用一種顏色表示，通過不同顏色表示頂板壓力變化情況，同時記錄工作面支架的支護狀況以及圍巖的控制情況，包括支架的初撐力、來壓時安全閥開啟及立柱下縮量、來壓時頂板切頂、漏矸以及煤壁片幫情況、超前區(qū)域礦壓數(shù)據(jù)及立柱下沉和單體行程變化數(shù)據(jù)的收集、兩順槽頂?shù)装鍍蓭鸵平^測等。

2.2 頂板離層觀測

對主運順槽、回風順槽距離綜采面300 m范圍內聯(lián)絡巷口部的頂板離層儀觀測，主運順槽進入綜采面聯(lián)絡巷及以里的、回風順槽300 m范圍內的頂板離層儀，一天一觀測，并做好相應記錄。

2.3 工作面支架下沉量觀測

對工作面當天夜班生產完畢后的工作面每10架人工吊掛一組頂板下沉監(jiān)測點，每天在生產前對工作面頂板下沉量進行觀測并做好響應記錄，以保證該工作面在停產期間頂板下沉有監(jiān)測和下次生產期間工作面采高能滿足煤機通過最小采高。通過實際觀察發(fā)現(xiàn)，工作面下沉量較小，一個早班下沉高度5～40 mm之間。

3 正常生產期間礦壓變化

3.1 正常回采期間礦壓分析

12404綜采面正常回采月份來壓步距12.19 m，壓力增阻區(qū)在3.44～11.71 m之間不等，壓力增阻平均在6.10 m，壓力穩(wěn)定區(qū)在2.76～11.71 m之間不等，平均壓力穩(wěn)定區(qū)在5.62 m。來壓期間偽頂垮落，工作面漏頂高度在200～400 mm頂板難以管理。未來壓期間工作面完整，來壓期間支架工作阻力在300～533 bar之間，平均416.5 bar，動載系數(shù)在1.34～2.02之間，平均1.62，工作面?zhèn)€別安全閥開啟。

3.2 直接頂垮落情況

工作面自開始回采，推采16 m后機頭1#～10#支架段后方直接頂全部垮落、48#～68#支架段后方直接頂全部垮落；推采至25 m后只剩機尾三角區(qū)直接頂垮落不及時；推采38 m后直接頂全部垮落完畢，工作面壓力正常，無壓力顯現(xiàn)。正常開始回采后，綜采工作面頂板能隨工作面推進而及時垮落，不存在頂板垮落不及時造成的懸頂?shù)葐栴}。

4 不連續(xù)期間礦壓變化情況

4.1 非正常開采月份礦壓情況

12404綜采面3月份平均來壓步距12.4 m，壓力增阻區(qū)在3.44～11.71 m之間不等，壓力增阻平均在6.54 m，壓力穩(wěn)定區(qū)在2.07～9.65 m之間不等，平均壓力穩(wěn)定區(qū)在5.86 m。來壓期間偽頂垮落，工作面漏頂高度在200～1 500 mm頂板難以管理。未來壓期間工作面頂板不完整，來壓期間支架工作阻力在300～5 519 bar之間，平均452.5 bar，動載系數(shù)在1.25～2.12之間，平均1.69，工作面?zhèn)€別安全閥開啟。

4.2 正常停產期間壓力變化情況

12404綜采面在停產期間，當停產在壓力增阻區(qū)時，來壓步距適當減小；當停產在壓力穩(wěn)定區(qū)時，來壓步距變化不明顯。停產期間，壓力增長值與停產時間呈正相關，隨停產時間的增長，壓力也隨之增長；隨停產時間繼續(xù)延長，壓力增長值將逐漸平緩區(qū)域穩(wěn)定，如圖2～5所示。

圖2 12404綜采面停產8 h期間壓力增長曲線Fig.2 Pressure curve of 12404 fully mechanized face during 8 hour shutdown

圖3 12404綜采面停產16 h期間壓力增長曲線Fig.3 Pressure curve of 12404 fully mechanized face during 16 hour shutdown

圖4 12404綜采面停產8 h期間壓力增長率Fig.4 Pressure growth rate of 12404 fully mechanized face during 8 hour shutdown

圖5 12404綜采面停產16 h期間壓力增長率Fig.5 Pressure growth rate of 12404 fully mechanized face during 16 hour shutdown

正常生產期間頂板壓力增長主要在停機前的12 h以內壓力增長幅度較大，故在停產期間需做好前12 h壓力觀測和頂板下沉記錄。根據(jù)曲線增長率分析，在停產期間前10 h增長率較高。

5 結論

(1)通過壓力增長曲線分析，綜采工作面頂板下沉和壓力增長觀測最佳時間為停產后12 h以內，12 h以外壓力增長區(qū)域平緩。

(2)根據(jù)壓力增長率曲線分析，綜采工作面壓力增長過程中與停產初始壓力有關，在停止生產時壓力大，則工作面在停產時壓力較快。

(3)綜采工作面停產過程中，壓力增長最快的時間段是未停機后的10 h以內。為了掌握工作面頂板下沉情況，應當在停機后立即進行下沉量觀測，超過5 h后觀測對頂板下沉量有加大誤差。

(4)停產期間，頂板壓力隨時間增長壓力呈現(xiàn)增長趨勢，故需控制非人為停機次數(shù)以及停機時間。