榆樹坡礦5105綜放工作面礦壓顯現規律探索

程德中

（山西寧武榆樹坡煤業有限公司，山西 寧武 036700）

當前，我國厚煤層，尤其是特厚煤層的開采方式仍然以綜合機械化放頂煤開采方法 （以下簡稱綜放開采）為主［1-3］。由于一次采出煤量較大，使得工作面采場空間達到普通綜采的數倍以上，而礦壓顯現規律也愈加復雜化，這給礦井正常生產帶來一定影響［4］。因此，了解并掌握綜放工作面礦山壓力顯現規律，并據此指導工作面支護設計及管理，對于工作面的安全高效生產具有重要意義［5-6］。本文以榆樹坡礦5105綜放工作面為研究背景，通過對工作面回采期間支架工作阻力及工作面超前支承壓力進行監測，得到了工作面初次來壓步距、周期來壓步距及來壓強度，同時根據煤壁前方支承壓力分布特征，得到了工作面超前支護設計的關鍵參數。

1 工程背景

榆樹坡礦位于山西省忻州市寧武縣東北方向約2 km處，井田面積為15.024 7 km2，設計生產能力為1.20 Mt/a。5105 工作面位于5#煤層一采區，煤層結構較為簡單，含4 層碳質泥巖夾矸。工作面東部為還未掘進的5107 工作面，西部為鐵路保護煤柱，南部為1214 回風大巷，北部是未開采實體煤。工作面上覆2#煤層1201 采空區。工作面直接頂為泥巖，平均厚度為22.65 m，巖性特征為黑色、脆而硬，含有燧石結核和黃鐵礦；直接底為砂質泥巖，平均厚度為2.6 m，巖性特征為黑色，薄層狀，含植物化石，老底為細砂巖，平均厚度為8.46 m，淺灰白色細砂巖，含黃鐵礦成份以石英為主。

5105綜放工作面標高+968～+1 125 m，對應地表標高+1 370～+1 456 m，工作面走向長度1 406 m，傾斜長度177 m，煤層厚度13.25～13.70 m，平均13.50 m，傾角5°～25°，平均15°，采高為3.8 m，放煤高度為9.7 m，采放比為1∶2.55。工作面共布置ZFY13000/24/40D型放煤支架110架，ZFG13000/27.5/42D 型過渡支架 7 架，ZTZ20000/27.5/42 型進風端頭支架1 架，ZFG1 3000/27.5/42 型回風端頭支架1 架。

2 工作面礦壓顯現規律研究

為監測5105綜放工作面支架工作阻力，在工作面編號為1#，11#，21#…101#，110#的液壓支架上共布置12 個礦壓監測站，監測儀器采用YHY60（B）礦用本安型數字壓力計，對工作面頂板壓力進行動態監測，工作面測站具體布置見圖1。

圖1 5105 工作面測站布置

監測期間，5105 工作面推進距離為100 m，累計推進125 個作業循環。分別取工作面3#、7#、11#測站（21#、61#、101#支架）對應支架循環工作阻力曲線進行分析，見圖2，據此可以得到5105 工作面初次及周期來壓步距和來壓強度。

圖2 不同位置處支架工作阻力曲線

式中：Pti為液壓支架每一工作循環的末循環工作阻力，MPa，n為循環數。

頂板來壓強度通過動載系數K來表示，其計算方法見公式（4）。

式中：Pz為來壓階段支架工作阻力平均值，MPa；Pf為非來壓階段支架工作阻力平均值，MPa。

由圖2 可知，工作面頂板初次來壓位置約為開切眼向前方推進22.5～28.8 m 處，此后，工作面不斷推進，頂板每隔7.6～14.1 m發生一次周期性的破斷。非來壓期間，工作面上部支架工作阻力處于16.8～25.5 MPa之間，中部處于23.7～26.8 MPa之間，下部處于24.5～26.5 MPa之間。來壓期間，工作面上部支架工作阻力在22.7～36.8 MPa之間，中部在26.2～38.1 MPa之間，下部則在27.8～34.5 MPa之間，總體而言，5105 綜放面中下部支架頂板壓力大于工作面上部，因此，工作面回采期間應更加注重中下部支架的管理。

表1 為工作面回采期間支架動載系數。由表1可知，工作面開采過程中，上部支架動載系數波動范圍較大，約在1.59～2.56 之間，中部及下部波動范圍較小，分別在1.66～1.92、1.53～1.85 范圍之間。這說明工作面上部區域頂板壓力較為劇烈，而中下部頂板壓力較為緩和。從工作面液壓支架安全閥開啟情況來看，工作面中部及下部液壓支架安全閥開啟率較低，分別為2.1%及1.9%，而工作面上部液壓支架安全閥開啟率高達12.4%。這說明工作面上部支架管理狀況較差，應適當提高支架初撐力以加強對工作面頂板的管理。

表1 工作面回采期間支架動載系數

3 工作面超前支承壓力影響范圍

掌握工作面支承壓力分布情況對于指導工作面運輸及回風巷的超前支護設計具有重要作用。因此，在5105 工作面前方150 m位置處由回風巷道煤壁向工作面內打設3 個鉆孔，鉆孔距離巷道底板1.2 m，孔徑為42 mm，間距為2 m，深度分別為15 m、12 m、9 m，見圖3。并在鉆孔內安裝鉆孔應力計以監測回采期間煤壁前方支承壓力變化情況，鉆孔應力計初始設定壓力值為4 MPa。

圖3 鉆孔布置情況

工作面回采過程中不同測點支承壓力演化曲線見圖4。由圖4 可知，3 個測點處的支承壓力均在距離工作面約60～40 m處時開始逐漸增加，但增長幅度較小。當測點與工作面距離小于40 m時，測點處煤體支承壓力開始迅速增加，這表明工作面支承壓力影響區大約位于煤壁前方40 m范圍內，隨工作面不斷推進，當測點距煤壁距離在40～22 m時，支承壓力增加幅度越來越大，應力集中系數由1.65～1.97 迅速增加到4.02～4.10，并在工作面前方22 m處達到峰值，約為7.1～7.9 MPa，隨后，支承壓力逐漸降低。

圖4 工作面前方不同測點支承壓力演化曲線

4 結語

通過對榆樹坡煤礦5105 工作面回采期間支架工作阻力及超前支承壓力進行監測，得到了5105綜放工作面回采期間來壓步距及強度，同時得到了工作面超前支承壓力分布特征和應力集中程度。5105 工作面回采期間，頂板初次來壓步距為22.5～28.8 m，平均為25.65 m，周期來壓步距約為7.6～14.1 m，平均為10.85 m。來壓期間支架工作阻力在22.7～38.1 MPa之間，平均30.4 MPa，動載系數在1.53～2.56 之間，總體表現為工作面中下部來壓強度較大、上部來壓較小的特點。工作面超前支承壓力影響范圍約為40 m，支承壓力峰值大約位于煤壁前方22 m處，峰值約為7.1～7.9 MPa，應力集中系數約達1.65～1.97。根據支架安全閥開啟情況進行分析可知，工作面上部支架初撐力較低，造成頂板管理較差，應適當提高支架初撐力以加強頂板管理。