大采高工作面礦壓規(guī)律分析

焦炎斌

（山西高平科興游仙山煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

大采高綜采工作面不僅可以提高生產(chǎn)效率，而且采空區(qū)遺煤少，回采率高，噸煤成本低，已經(jīng)成為4～6 m厚煤層的一種主要開采方式。但由于采高的增大，直接頂巖層冒落后無法充滿采空區(qū)，周期來壓期間來壓劇烈，同時(shí)工作面煤壁極易發(fā)生片幫、冒頂?shù)榷嗣媸Х€(wěn)現(xiàn)象，造成一定的安全隱患［1-4］。因此進(jìn)行大采高工作面的礦壓規(guī)律分析對保障工作面的安全回采具有重要的意義。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

山西高平科興游仙山煤業(yè)15210 綜采工作面位于+810 水平二采區(qū)，開采煤層為15 號煤層，15210 的首采工作面。東側(cè)為井田邊界，西側(cè)為采區(qū)回風(fēng)大巷，南北兩側(cè)為設(shè)計(jì)的工作面。15 號煤厚度為3.20～5.16 m，平均厚4.10 m，煤層傾角1°～7°；煤塵無爆炸性，自燃傾向性等級為Ⅱ級；煤層結(jié)構(gòu)簡單，頂?shù)装鍘r性見圖1。

圖1 游仙山礦15 號煤頂?shù)装鍘r性

1.2 生產(chǎn)條件

15210 綜采工作面為一次采全高長壁開采工作面，全部垮落法處理頂板。工作面傾向長153 m，走向長度872 m，工作面主要設(shè)備見表1。其中中部液壓支架的初撐力為6 184 kN，支護(hù)強(qiáng)度為0.78 MPa，底板比壓2.2 MPa，操作方式為本架操作。采煤機(jī)割煤方式為雙向割煤，端頭斜切進(jìn)刀。正常回采情況下，工作面液壓支架最大控頂距5 300 mm，最小控頂距4 700 mm，移架步距為600 mm。

表1 3206 工作面主要設(shè)備

2 礦壓觀測分析

2.1 觀測內(nèi)容及方案

（1）回采工作面礦壓觀測

在15210 工作面對支架工作阻力以及工作面回采期間的片冒特征進(jìn)行觀測統(tǒng)計(jì)。從第3 架支架開始，每隔10 架依次在3 架～93 架上安裝YHY60W型礦用支架工作阻力記錄儀，共安裝10 個(gè)。同時(shí)從第10 架開始，間隔20 架在10 架、30 架、50架、70 架、90 架上設(shè)置測站，對工作面正常回采和來壓期間頂板和煤壁的片冒情況進(jìn)行觀測記錄。

（2）順槽超前壓力觀測

在15210 工作面運(yùn)輸順槽安設(shè)錨桿測力計(jì)，對工作面超前支承壓力影響范圍進(jìn)行觀測。一共布置3 個(gè)測站，分別距開切眼的距離為70 m、150 m和250 m。該巷道的斷面規(guī)格為5 200 mm×3 400 mm（寬×高），在全斷面錨桿索上安裝MCS-400 礦用本安型測力計(jì)，每個(gè)斷面共安設(shè)13 臺測力計(jì)，其中螺紋鋼錨桿8 臺，玻璃鋼錨桿3 臺，頂錨索2臺。每個(gè)斷面的測力計(jì)按圖2 方式進(jìn)行編號。

圖2 測力計(jì)安裝位置

2.2 來壓特征

現(xiàn)場觀測表明，15210 工作面來壓期間出現(xiàn)了端面失穩(wěn)現(xiàn)象。其主要的表現(xiàn)形式為煤壁片幫，平均片幫深度0.4 m，最大深度為0.9 m，發(fā)生在65 號支架處；平均片幫高度0.8 m，最大高度為1.2 m，發(fā)生在78 號支架處。片幫位置主要集中在煤壁上部，片幫形式為滑落式和拉裂式［5-6］，見圖3。與工作面兩側(cè)相比，工作面中部的片幫頻率相對較高，片幫尺寸也相對較大。

圖3 15210 工作面片幫主要形式

2.3 支架工作阻力分析

（1）傾斜方向工作阻力分析

根據(jù)不同推進(jìn)距離內(nèi)的支架工作阻力監(jiān)測結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)15210 傾斜方向的支架工作阻力呈現(xiàn)中間高、兩頭低的特點(diǎn)，見圖4。

圖4 支架平均工作阻力變化曲線

（2）推進(jìn)方向工作阻力分析

15210 工作面液壓支架的工作阻力為8 000 kN，按2 000 kN的梯度劃分為4 個(gè)區(qū)間，各個(gè)測點(diǎn)支架的工作阻力在不同區(qū)間之間的占比見表2。

表2 支架工作阻力區(qū)間統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，大部分支架的工作阻力集中在6 000～8 000 kN之間，平均之比為59.47%。工作阻力小于4 000 kN的占比為1.14%，大于8 000 kN的支架占比為0.11%。表明支架工作選型合理，能夠滿足生產(chǎn)要求，但支架處于高負(fù)荷狀態(tài)，富余量相對較少，遇到斷層等地質(zhì)構(gòu)造條件下可能無法對頂板有效支護(hù)。

2.4 支承壓力分布規(guī)律

3 個(gè)錨桿索受力觀測測站的觀測結(jié)果大致相同，以2 號測站為例，其實(shí)體煤幫2 號螺紋鋼錨桿、頂板6 號螺紋鋼錨桿、實(shí)體煤幫10 號玻璃鋼錨桿和頂13 號錨索的測力計(jì)觀測結(jié)果見圖5。

圖5 錨桿索受力監(jiān)測結(jié)果

從錨桿索的受力曲線可以看出，錨桿和頂錨索在工作面前方46.5 m最先受到超前支承壓力的影響，實(shí)體煤幫受影響最晚，到工作面推采至37.8 m時(shí)才有顯現(xiàn)。當(dāng)工作面推至17.6 m左右時(shí)，全斷面的錨桿索支護(hù)體受力均有明顯增大，說明工作面最大超前支承壓力影響范圍為37.8～46.5 m，劇烈影響范圍在20 m以內(nèi)。

3 工作面來壓步距分析

3.1 理論計(jì)算

采用如下公式計(jì)算工作面的初次來壓步距和周期來壓步距。

式中：h為基本頂巖層的厚度，m；Rt為基本頂巖層的單軸抗拉強(qiáng)度，MPa；q為上覆巖層對單面基本頂面積上的載荷，kN/m2。

游仙山礦15210 工作面的基本頂為粉砂巖，單軸抗拉強(qiáng)度為3.46 MPa，基本頂單位面積上的載荷為0.34 MPa，代入可得，初次來壓步距為29.8 m，周期來壓步距為12.2 m。

3.2 初次來壓觀測分析

現(xiàn)場觀測表明，15210 工作面推采9 m左右時(shí)直接頂巖層開始逐漸出現(xiàn)破壞，從工作面中部逐漸向兩側(cè)延伸。當(dāng)工作面推采到16 m左右時(shí)，垮落的頂板巖層基本已經(jīng)將采空區(qū)充滿。繼續(xù)推采至33 m左右時(shí)，在工作面支架前方能夠聽到明顯的基本頂巖層斷裂的聲音，但整個(gè)工作面來壓強(qiáng)度不大，礦壓顯現(xiàn)比較平緩。

通過觀測可知，在不計(jì)入開切眼尺寸的前提下，15210 工作面的初次來壓步距約為30.2～32.6 m，平均31.7 m，與理論計(jì)算結(jié)果較為接近。

3.3 周期來壓觀測分析

根據(jù)礦壓觀測方案，在200 m推采距離期間，共觀測到8 次工作面周期來壓，來壓步距波動較大，最大為26.7 m，最小為9.8 m，平均來壓步距17.6 m，與理論計(jì)算結(jié)果有較大差距。隨著工作面的推進(jìn)，工作面周期來壓情況明顯不同，可分為三個(gè)區(qū)域。

（1）低壓區(qū)

從開切眼至推采58 m的范圍內(nèi)，由于工作面初采，采動不充分，工作面支架工作阻力變化相對較小，端面煤巖體穩(wěn)定性好，片幫較少。

（2）過渡區(qū)

隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，在60～135 m期間，工作面的礦壓顯現(xiàn)相對劇烈，支架工作阻力明顯變大。

（3）高壓區(qū)

當(dāng)工作面推過150 m時(shí)，與工作面開切眼長度相當(dāng)時(shí)，工作面液壓支架工作阻力變大，片幫明顯，端面穩(wěn)定性差。

3.4 來壓期間工作阻力分析

選取3 號、23 號、43 號、63 號、83 號93 號支架對正常回采和來壓期間的工作阻力進(jìn)行對比分析，見表3。

表3 支架工作阻力統(tǒng)計(jì)（單位/MPa）

由表3 可以看出，初次來壓期間的平均支架工作阻力為28 MPa，平均動載系數(shù)為1.1，周期來壓期間的工作阻力為28.7 MPa，動載系數(shù)為1.13。工作面來壓期間支架動載系數(shù)較小，無沖擊載荷影響，并且周期來壓的來壓強(qiáng)度大于初次來壓。

4 結(jié)論

1）15210 傾斜方向的支架工作阻力呈現(xiàn)中間高、兩頭低的特點(diǎn)，并且工作阻力在6 000～8 000 kN之間的占比為59.47%，支架選型合理，工作阻力能夠滿足生產(chǎn)要求。

2）15210 工作面來壓期間的端面失穩(wěn)形式為煤壁片幫，片幫位置集中在煤壁上部，片幫形式為滑落式和拉裂式，并且工作面中部片幫頻率較高。

3）15210 工作面的超前支承壓力影響范圍為37.8～46.5 m，其中前方17.6 m為劇烈影響區(qū)，工作面20 m的超前支護(hù)距離選取合理。

4）15210 工作面的平均初次來壓步距為31.7 m，與計(jì)算結(jié)果較為接近，周期來壓步距為17.6 m，并且來壓期間，支架動載系數(shù)較小，周期來壓強(qiáng)度大于初次來壓。