劉志剛， 汪 棟， 李錦秀

(1.山東能源淄礦集團(tuán)唐口煤業(yè)， 山東 濟(jì)寧 272055； 2.山東煤炭技術(shù)學(xué)院， 山東 淄博 255120)

頂板管理是采煤工作面回采工藝的關(guān)鍵問(wèn)題[1]，通過(guò)眾多科研學(xué)者和現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的不懈努力，多數(shù)情況下的頂板均取得了較好控制效果.隨著近幾年深部礦井的建設(shè)和生產(chǎn)，很多異于常規(guī)礦壓規(guī)律的現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題逐步顯現(xiàn)[2]，原有頂板控制技術(shù)在這類條件下顯得不盡人意.為了更好的了解工作面壓力顯現(xiàn)情況，達(dá)到掌握頂板活動(dòng)規(guī)律，及時(shí)預(yù)報(bào)頂板來(lái)壓變化，加強(qiáng)工作面頂板管理的目的[3]，需要對(duì)深部礦井礦壓規(guī)律進(jìn)行觀測(cè)研究.

礦山壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)內(nèi)容包括工作面綜采支架工作壓力，兩順槽巷道圍巖和頂板壓力、位移變形等基本參數(shù)的監(jiān)測(cè)[4].礦壓監(jiān)測(cè)的意義主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[4]：(1)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)可以便于技術(shù)人員、生產(chǎn)管理人員實(shí)時(shí)了解當(dāng)前井下工作面的支護(hù)質(zhì)量、工況、動(dòng)力災(zāi)害顯現(xiàn)預(yù)警等信息；(2)工程技術(shù)人員與管理人員利用這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)頂板來(lái)壓規(guī)律、圍巖頂板變形規(guī)律、動(dòng)力災(zāi)害顯現(xiàn)規(guī)律等開(kāi)展災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)；(3)建立監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息檔案，為工程技術(shù)管理與學(xué)術(shù)研究積累經(jīng)驗(yàn)[1].本文主要結(jié)合某礦5302輔助工作面礦壓監(jiān)測(cè)相關(guān)信息及設(shè)備使用情況，對(duì)深部煤層回采工作面壓力異常區(qū)域礦壓規(guī)律及礦壓監(jiān)測(cè)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)適用性進(jìn)行初步研究.

1 工作面概況

5302輔助工作面煤層底板標(biāo)高-958.2m～-895.3m，工作面膠帶順槽與南部膠帶大巷相連，軌道順槽與5302第一聯(lián)絡(luò)巷相連；西北為5302工作面里段采空區(qū)，東北115m為5301工作面采空區(qū)，東南為南部大巷保護(hù)煤柱，西南部為未開(kāi)拓的實(shí)碳區(qū).工作面回采煤層為3上煤，黑色，條痕黑褐色，以亮煤為主，暗煤次之，屬于半亮型煤，油脂～玻璃光澤，階梯狀斷口.該煤種屬氣煤，其硬度為2～3.根據(jù)巷道實(shí)際揭露資料，該工作面3上煤層沉積較穩(wěn)定，全部可采，厚度在2.80～5.50m之間，平均厚4.71m.5302輔助工作面傾斜長(zhǎng)度80m，走向可采長(zhǎng)度785m，該工作面上方?jīng)]有可采煤層，下方3下煤全部沖刷或沉缺.所回采的3上煤層傾角在0°～15°之間，平均傾角6°，傾向70°左右.

工作面支護(hù)選用48架ZY10000/26/55型掩護(hù)式液壓支架，支護(hù)強(qiáng)度1.14～1.22MPa，工作面最小控頂距為4247mm，最大控頂距為5047mm.通過(guò)理論計(jì)算，結(jié)合同采區(qū)5301工作面支架使用情況，可知該支架能夠滿足工作面頂板管理支護(hù)強(qiáng)度需要.軌道順槽與皮帶順槽超前支護(hù)長(zhǎng)度60m，采用DW4.5-200/110XL型單體液壓支柱配合鉸接頂梁進(jìn)行支護(hù).

2 監(jiān)測(cè)儀器選用及安裝

為了準(zhǔn)確摸清工作面礦壓分布規(guī)律及變化規(guī)律，有效監(jiān)測(cè)工作面支架荷載、順槽巷道頂板離層及工作面前方煤巖應(yīng)力情況，本工作面計(jì)劃選用下述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作[5-6].

2.1 工作面支架載荷監(jiān)測(cè)設(shè)備

采用KJ216型綜采支架工作阻力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作面支架載荷，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)實(shí)施監(jiān)測(cè)的支架前、后柱進(jìn)行載荷監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)降孛娓鹘K端供技術(shù)人員分析處理.工作面液壓支架共安設(shè)7臺(tái)監(jiān)測(cè)分機(jī)，并將工作面劃分為3個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)，其中2#、8#支架為上部監(jiān)測(cè)區(qū)，16#、24#、32#支架為中部監(jiān)測(cè)區(qū)，40#、48#支架為下部監(jiān)測(cè)區(qū).根據(jù)支架在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律對(duì)工作面頂板來(lái)壓情況進(jìn)行全面預(yù)報(bào)分析.

2.2 順槽巷道頂板離層監(jiān)測(cè)設(shè)備

在順槽巷道預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)較大離層的區(qū)域安裝KJ216型頂板離層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，共安設(shè)2臺(tái)頂板離層儀(淺基點(diǎn)深度4m，深基點(diǎn)深度9m)，第1臺(tái)編號(hào)61#，位于軌道順槽距面100m處頂板中，第2臺(tái)編號(hào)62#，位于5302-2斷層向面30m處頂板中.利用頂板離層報(bào)警系統(tǒng)觀測(cè)軌道順槽巷道頂板變化情況，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳輸至地面終端進(jìn)行分析處理.

2.3 煤巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備

根據(jù)5302輔助工作面的特點(diǎn)及構(gòu)造特征，選用KJ550在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置情況，壓力傳感器在兩順槽內(nèi)自切眼前方40米開(kāi)始布置，每25m一組，每組兩個(gè)，埋設(shè)深度分別為10m、15m，每組兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間距1m.具體布置方案如圖1所示.

圖1 工作面應(yīng)力計(jì)位置示意圖

根據(jù)5301工作面推采時(shí)KJ550在線監(jiān)測(cè)預(yù)警值設(shè)置情況，5302輔助工作面的初始預(yù)警值設(shè)置見(jiàn)表1.

表1 初始預(yù)警值設(shè)置

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

運(yùn)用各系統(tǒng)對(duì)5302輔助工作面進(jìn)行了詳細(xì)礦壓監(jiān)測(cè)，得到了大量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).工作面2013年1月25日前后有一次壓力異?，F(xiàn)象，現(xiàn)對(duì)5302輔助工作面回采期間異常動(dòng)力顯現(xiàn)期間各系統(tǒng)監(jiān)測(cè)情況開(kāi)展初步分析研究.

3.1 工作面支架載荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

此次異常動(dòng)力現(xiàn)象期間，工作面KJ216型綜采支架工作阻力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到支架壓力水平較高的情況，此處列舉幾個(gè)較為特殊的支架作為分析實(shí)例.

圖2至圖4為工作面1月22日至1月31日8#、24#、32#支架工作阻力情況.通過(guò)分析上述支架壓力曲線可知，5302輔助工作面綜采支架工作阻力值普遍較高，個(gè)別支架工作阻力甚至一度達(dá)到40MPa，說(shuō)明工作面位置頂板壓力較大，支架整體受力水平較高.

圖28#支架1月21日至28日工作阻力曲線

圖324#支架1月21日至28日工作阻力曲線

圖432#支架1月21日至28日工作阻力曲線

通過(guò)上述分析可知，異常動(dòng)壓顯現(xiàn)期間，工作面并非處于周期來(lái)壓階段，而是處于異常來(lái)壓階段，頂板的異常來(lái)壓是此次動(dòng)壓顯現(xiàn)的重要誘發(fā)因素之一.

3.2 順槽巷道頂板離層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

5302輔助工作面2013年1月25日前后壓力異常期間，工作面距離61#頂板離層儀50m左右，距離62#頂板離層儀130m左右.圖5、圖6為前后兩臺(tái)頂板離層儀數(shù)據(jù)曲線，從圖中可以看出62#在異常來(lái)壓期間提出頂板離層報(bào)警(報(bào)警值100mm)，現(xiàn)場(chǎng)勘查顯示頂板有較大下沉量.

圖561#頂板離層儀數(shù)據(jù)曲線圖

圖662#頂板離層儀數(shù)據(jù)曲線圖

3.3 煤巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

5302輔助工作面壓力異常期間，應(yīng)力在線系統(tǒng)在壓力異常的相應(yīng)位置監(jiān)測(cè)到紅色預(yù)警，經(jīng)煤粉檢測(cè)人員現(xiàn)場(chǎng)施工煤粉鉆，檢測(cè)到煤粉量均超標(biāo)，鉆屑法校驗(yàn)了應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效果.

圖7為1月20日當(dāng)天軌順內(nèi)應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示的異常應(yīng)力云圖，第9測(cè)組深孔應(yīng)力較高，顯示紅色預(yù)警.

圖8為1月13日開(kāi)始，距工作面135m的軌順第9測(cè)組應(yīng)力變化曲線圖.其中深孔(15m深)應(yīng)力從1月13日開(kāi)始顯著上升；1月21日，當(dāng)距工作面26m時(shí)，第9測(cè)組深孔應(yīng)力達(dá)到峰值，約18MPa；解危工程實(shí)施之后煤體應(yīng)力又逐漸降低.上述情況可看出工作面前方煤體因受采動(dòng)應(yīng)力影響處于較高應(yīng)力水平.

圖7 1月20日軌順應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)異常云圖

圖8軌順應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)第九組應(yīng)力曲線圖

4 采場(chǎng)兩巷道解危卸壓工程情況

依靠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員分析，決定在5302輔助工作面采用大直徑鉆孔卸壓、爆破解危、煤層注水卸壓等方法對(duì)壓力異常區(qū)域進(jìn)行解危卸壓，并取得良好效果.

4.1 大直徑鉆孔卸壓

1月21至2月2日，在5302軌道順槽應(yīng)力集中區(qū)施工大直徑卸壓鉆孔45個(gè)，其中生產(chǎn)幫39個(gè)，非生產(chǎn)幫6個(gè)，鉆孔間距2～3m，鉆孔深度大于15m.大直徑鉆孔施工過(guò)程中煤炮頻繁，鉆孔排粉量大，有嚴(yán)重吸鉆、卡鉆現(xiàn)象，每班僅能施工1個(gè)大直徑鉆孔.

4.2 爆破解危

1月21日至1月28日，對(duì)監(jiān)測(cè)到煤粉量超標(biāo)的部分鉆孔進(jìn)行了爆破解危，共爆破12個(gè)鉆孔，其中軌道順槽生產(chǎn)幫爆破10個(gè)鉆孔，5302皮帶順槽爆破2個(gè)鉆孔，以爆破解危后，煤粉量不再超標(biāo)，解危效果比較明顯.

4.3 煤層注水卸壓

截止2月2日，5302輔助工作面共施工注水鉆孔16個(gè)，共計(jì)注水670m3，煤層注水對(duì)于改善煤層力場(chǎng)分布，軟化煤層，降低應(yīng)力集中起到積極作用.

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)根據(jù)工作面現(xiàn)場(chǎng)情況預(yù)估工作面壓力分布范圍，并按照實(shí)際需要合理選用監(jiān)測(cè)系統(tǒng).

(2)運(yùn)用各系統(tǒng)對(duì)工作面各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，各系統(tǒng)均在工作面壓力異常期間顯示預(yù)警，可見(jiàn)各系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，而且對(duì)于異常情況能夠及時(shí)作出反應(yīng).

(3)運(yùn)用各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本摸清了該工作面的超前應(yīng)力分布規(guī)律，支架載荷最大時(shí)達(dá)到40MPa以上，巷道超前支護(hù)段頂板離層量達(dá)到200mm以上，超前應(yīng)力最高值達(dá)到18MPa左右.

(4)根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工作面的監(jiān)測(cè)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)情況，及時(shí)在壓力異常期間采取了大直徑鉆孔卸壓、爆破解危、煤層注水卸壓等解危卸壓措施，對(duì)高應(yīng)力的深部轉(zhuǎn)移及保護(hù)作業(yè)空間安全起到積極效果.

(5)各系統(tǒng)運(yùn)行情況表明，在深部煤層回采工作面礦壓規(guī)律研究、災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工程的設(shè)備適用性良好，可以滿足相關(guān)需求.

(6)通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析，可以為本礦井相似工作面超前支護(hù)的設(shè)計(jì)提供一定參考，有效避免災(zāi)害的發(fā)生.

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