吳 強(qiáng)

(四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院， 四川 成都 610045)

隨著淺埋煤層逐漸開(kāi)采殆盡，煤礦開(kāi)采向深部延伸，深部工作面[1]采場(chǎng)與巷道的應(yīng)力分布及來(lái)壓狀況不同于淺部。目前對(duì)工作面的礦壓規(guī)律[2]研究多集中在淺埋煤層[3-5]，對(duì)深部緩傾斜煤層綜采工作面的研究[6]相對(duì)較少，且主要集中在工作面采場(chǎng)的周期來(lái)壓及支架工作阻力分布情況[7-9]，不能全面反映出工作面采場(chǎng)與回采巷道[10-11]的狀況。因此，合理布置礦壓觀測(cè)[12]儀器，研究相應(yīng)應(yīng)力分布與特點(diǎn)，摸清并掌握巷道圍巖礦山壓力[13-16]分布狀況，為支護(hù)形式及巷道優(yōu)化布置提供依據(jù)，對(duì)煤礦安全高效開(kāi)采具有重要意義。

1 工作面概況

山東某礦東西長(zhǎng)7～10 km；南北寬9 km，煤層賦存面積65 km。開(kāi)采煤層為二疊系山西組3煤，平均厚度為2.50 m，埋藏深度為-500～-650 m，平均傾角12°。煤層主要特征為：黑色，塊狀及粉末狀，以亮煤為主，偶夾暗煤條帶，條帶狀及塊狀結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，局部地段夾矸。

1516工作面長(zhǎng)度為180 m，頂板為中細(xì)砂巖，富水性較弱，厚度約44 m，局部存在厚度約0.4 m的泥巖。煤層直接底板為炭質(zhì)泥巖，厚度為3.85 m，老底為粉砂巖，厚度為6.80 m。下距三灰約50 m，三灰富水性中等，為3煤開(kāi)采時(shí)的重要充水含水層，3煤綜合柱狀如圖1所示。

2 礦壓觀測(cè)內(nèi)容及方法

2.1 礦壓觀測(cè)的目的

掌握綜采工作面沿走向、傾向的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，進(jìn)而掌握整個(gè)綜采工作面的壓力分布狀況，了解上覆巖層的運(yùn)動(dòng)范圍、規(guī)律，得出支架對(duì)頂板支護(hù)的穩(wěn)定性與可靠性；查明工作面兩巷圍巖移近量的范圍和程度，為采場(chǎng)和兩巷支護(hù)設(shè)計(jì)以及支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。

圖1 煤層綜合柱狀圖

2.2 測(cè)區(qū)布置

測(cè)區(qū)分為兩大部分，一是回采工作面內(nèi)的觀測(cè)，二是兩巷道內(nèi)的觀測(cè)，監(jiān)測(cè)方案布置見(jiàn)圖2。

2.3 觀測(cè)內(nèi)容及方法

工作阻力監(jiān)測(cè)：采用液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè)儀KBJ-60-Ⅲ-2型對(duì)液壓支架立柱的工作阻力進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，同時(shí)利用井下集中數(shù)據(jù)分機(jī)和采集器對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和保存。

回采巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)：采用“十字測(cè)量法”對(duì)巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平窟M(jìn)行監(jiān)測(cè)，在巷道頂?shù)装寮皟蓭透鞑贾靡粋€(gè)基點(diǎn)，人工用皮尺進(jìn)行測(cè)量。

圖2 礦壓觀測(cè)點(diǎn)布置圖

頂板離層監(jiān)測(cè)：采用頂板鉆孔安裝DLZ-Ⅱ型頂板離層監(jiān)測(cè)儀，對(duì)兩巷頂板離層情況進(jìn)行觀測(cè)。

3 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

3.1 沿工作面走向礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

本次礦壓監(jiān)測(cè)研究的地點(diǎn)為1516采煤工作面，該工作面始采于2012年4月25日，截至2012年6月4日，該工作面共推進(jìn)120 m，進(jìn)行了為期40 d的支架工作阻力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1516綜采工作面頂板支護(hù)采用ZY8600/15/32D型掩護(hù)式液壓支架，在回采過(guò)程中，沿工作面傾斜方向布置觀測(cè)儀器，采用KBJ-60Ⅲ-2支架阻力連續(xù)記錄儀，除去異常數(shù)據(jù)及移架過(guò)程中的數(shù)據(jù)變化，處理之后，得到工作面回采0-120 m長(zhǎng)度時(shí)的支架工作阻力數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖3)。

圖3 工作面支架工作阻力

由圖3可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至24 m時(shí)，發(fā)生初次來(lái)壓，支架工作阻力為8112 kN；繼續(xù)推進(jìn)至40 m時(shí)，發(fā)生了第二次來(lái)壓，支架工作阻力為9105 kN，安全閥開(kāi)啟。之后工作面表現(xiàn)出周期性的來(lái)壓規(guī)律。周期來(lái)壓步距最大為18 m，最小為14 m，平均步距為16 m，來(lái)壓影響范圍為4～7 m，平均為5.5 m；來(lái)壓期間工作阻力最大為9105 kN，最小為8112 kN，平均為8536 kN，是額定工作阻力的99.2%；非來(lái)壓期間，支架所受的工作阻力平均為5137 kN，是額定工作阻力的59.7%。工作面的動(dòng)載系數(shù)最大為1.77，平均為1.66。因此，工作面選用ZY8600/15/32D型掩護(hù)式液壓支架能夠滿(mǎn)足工作面的正常生產(chǎn)。

3.2 沿工作面傾向方向礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

工作面向前推進(jìn)12，24，40，48，56，62，70 m時(shí)，分別得到液壓支架在來(lái)壓與非來(lái)壓期間沿工作面傾向的工作阻力狀況(見(jiàn)圖4)。

圖4 工作面傾向支架工作阻力特征

工作面在來(lái)壓期間，沿傾斜方向的壓力分布近似呈“峰”型，其中部、中上部處的支架所受工作阻力明顯大于兩端，并且在工作面機(jī)頭處所受工作阻力大于下部，工作面液壓支架工作阻力一般在35～55號(hào)支架位置處最大，該范圍內(nèi)最大工作阻力達(dá)到9105 kN。

工作面非來(lái)壓期間，液壓支架工作阻力沿傾向也呈“峰”型分布，其中上部42號(hào)支架處壓力最大，支架工作阻力達(dá)到5532 kN。

4 回采巷道圍巖變形規(guī)律分析

工作面回采巷道沿頂板掘進(jìn),在工作面前方設(shè)置觀測(cè)站，在頂板深部及兩幫深部布置1.6,3.2,4.3和6 m四個(gè)基點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，并對(duì)觀測(cè)站進(jìn)行表面位移的觀測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

由圖5、圖6中可以看出，運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷表面位移整體變化量不大；運(yùn)輸巷兩幫最大移近量為345 mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?20 mm；回風(fēng)巷兩幫最大移近量為298 mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?79 mm，兩巷的兩幫變形量和頂?shù)装逦灰屏坎町惐容^小，圍巖收斂速度大體相同。在工作面回采期間，巷道圍巖變形可劃分為3個(gè)區(qū)域：

(1) 無(wú)采動(dòng)影響區(qū)域。距工作面前方大約80～120 m以?xún)?nèi)的區(qū)域，該區(qū)段巷道基本不受采動(dòng)的影響，巷道維護(hù)狀況比較好；

圖5 運(yùn)輸巷圍巖變形實(shí)測(cè)

圖6 回風(fēng)巷圍巖變形實(shí)測(cè)

(2) 采動(dòng)影響區(qū)域。在工作面前方大約40～80 m以?xún)?nèi)的區(qū)域，該段巷道由于受到工作面超前支承壓力的影響，巷道表面變形量表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，圍巖的平均變形速度為3.5 mm/d；

(3) 采動(dòng)影響劇烈區(qū)域。在工作面前方大約40 m以?xún)?nèi)的區(qū)域，巷道表面變形量急劇增大，圍巖變形的平均速度大于12 mm/d。

受工作面回采期間采動(dòng)影響, 回風(fēng)巷圍巖內(nèi)部也產(chǎn)生了比較明顯的變形, 但深度不同、部位不同，圍巖變形量也就不同，其規(guī)律為圍巖的變形量隨鉆孔深度的增加而減小(見(jiàn)圖7)。經(jīng)觀測(cè)，頂板測(cè)點(diǎn)的變形量的最大值達(dá)到84.7 mm，且靠近工作面?zhèn)葴y(cè)點(diǎn)的最大變形量達(dá)到76.2 mm，靠近實(shí)體煤側(cè)測(cè)點(diǎn)的變形量為45.4 mm；巷道周邊深部圍巖的變形呈非線(xiàn)性，圍巖的松動(dòng)圈半徑大約為1. 6 ～3.2 m, 并且隨著基點(diǎn)距煤幫表面的距離增加, 其相應(yīng)位移減小。

5 結(jié) 論

(1) 根據(jù)各測(cè)線(xiàn)的支架工作阻力的觀測(cè)結(jié)果，工作面初次來(lái)壓步距為24 m，平均周期來(lái)壓步距為16 m，來(lái)壓期間工作阻力最大為9105 kN，平均為8536 kN，是額定工作阻力的99.2%；非來(lái)壓期間，支架所受的工作阻力平均為4937 kN，是額定工作阻力的59.7%。工作面的動(dòng)載系數(shù)最大為1.77，平均為1.66。支架性能能夠滿(mǎn)足工作面的正常生產(chǎn)。

圖7 回風(fēng)巷頂板深部位移曲線(xiàn)

(2) 工作面在來(lái)壓與非來(lái)壓期間，沿工作面傾斜方向的壓力分布近似呈“峰”型，其中在工作面中部、中上部支架位置處所受的工作阻力明顯大于兩端，工作面機(jī)頭位置處所受的工作阻力大于下部。

(3) 回采巷道支護(hù)比較合理，運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷的兩幫移近量及頂?shù)装逡平慷急容^小。工作面前方80 m以外，該區(qū)段巷道基本不受采動(dòng)的影響, 巷道維護(hù)狀況比較好；工作面前方80 m以?xún)?nèi)，以大約40 m為界，40 m以外區(qū)段巷道表面變形逐漸增大，40 m以?xún)?nèi)的區(qū)段巷道表面變形快速增加。

(4) 巷道圍巖的變形量隨鉆孔深度的增加而減小，巷道周邊深部圍巖的變形呈非線(xiàn)性,圍巖松動(dòng)圈半徑大約為1.6 ～3.2 m,并且隨著基點(diǎn)距煤幫表面的距離增加,其相應(yīng)位移減小。

參考文獻(xiàn)：

[1]喬衛(wèi)國(guó),呂言新,李 睿,等.深部軟巖巷道礦壓監(jiān)測(cè)與收斂變形研究[J].金屬礦山,2011(10):44-47.

[2]張吉雄,吳 強(qiáng),黃艷利,等.矸石充填綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(S):1-4.

[3]張 杰.南梁厚土層淺埋單體長(zhǎng)壁工作面礦壓規(guī)律實(shí)測(cè)分析[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,22(4):6-9.

[4]宋選民,顧鐵鳳,閆志海.淺埋煤層大采高工作面長(zhǎng)度增加對(duì)礦壓顯現(xiàn)的影響規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(S2):4007-4012.

[5]李新元,陳培華.淺埋深極松軟頂板采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(19):3305-3309.

[6]楊尚歡,孟祥瑞,趙光明.緩傾斜中厚煤層首采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].煤炭工程,2009(10):55-57.

[7]曹樹(shù)剛,徐 健,雷才國(guó),等.復(fù)雜條件下急傾斜綜采工作面支架適應(yīng)性分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(10):1599-1603.

[8]尹光志,李小雙,郭文兵.大傾角煤層工作面采場(chǎng)圍巖礦壓分布規(guī)律光彈性模量擬模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(S1):3336-3343.

[9]展勤建,杜計(jì)平,董 蕾,等.埋深1300 m綜采工作面支架選擇及適用性研究[J].煤礦開(kāi)采,2011,16(6):69-71.

[10]魯 巖,樊勝?gòu)?qiáng),鄒喜正.工作面超前支承壓力分布規(guī)律[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,27(2):184-187.

[11]屠世浩,王方田,竇鳳金,等.上層煤柱下綜放沿空回采巷道礦壓規(guī)律研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,39(1):1-5.

[12]盧國(guó)志,彭林軍,許守東,等.采場(chǎng)組合礦壓觀測(cè)方案的研究[J].巖土力學(xué),2006,27(S):319-321.

[13]高登云，高登彥.大柳塔煤礦薄基巖淺埋煤層工作面礦壓規(guī)律研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011,39(12):20-22,50.

[14]蔡志亮,廖學(xué)東,韓 磊.大傾角薄煤層綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].煤炭技術(shù),2011,30(11):86-88.

[15]李 立.新陽(yáng)煤礦近水平薄煤層綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].中國(guó)煤炭,2011,37(10):53-55,59.

[16]張 偉.近距離煤層采空區(qū)下綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[J].煤礦開(kāi)采,2011,16(6):84-86.