井歡慶，李占魁

(1.國(guó)投晉城能源投資有限公司，山西晉城 048026;2.安徽理工大學(xué)，安徽淮南 232001)

1 工作面概況

淮北許疃礦7229工作面位于82下采區(qū)南翼，南到F24斷層，西到81采區(qū)和82下采區(qū)邊界(相鄰7127工作面已開采)，北到82采區(qū)大巷保護(hù)煤柱，東到72211工作面(尚未準(zhǔn)備)。工作面走向長(zhǎng)度為1179 m，傾斜長(zhǎng)度137 m;煤層厚度2.5～6.3 m，平均 4.8 m;煤層傾角為 7°～33°，平均為10°;煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般夾2到3層薄層狀碳質(zhì)泥巖。煤層特征:黑色，粉未狀，塊狀，玻璃光澤，半亮型煤，內(nèi)生裂隙較發(fā)育。煤層直接頂為泥巖及粉沙巖，其厚度0.95～1.26m，巖性特征為深灰色，塊狀，含植物化石及粉砂質(zhì)。煤層老頂為粉砂巖，其厚度11.9～22.48 m，巖性特征細(xì)砂或中粒砂巖，灰色為主，部分地段上部發(fā)育成互層結(jié)構(gòu)，石英為主。

2 采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性及其控制

2.1 頂板穩(wěn)定性影響因素

通過對(duì)許疃礦7229工作面的圍巖進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)，確定了煤層屬于軟煤，在煤質(zhì)較軟的頂板條件下，影響大采高工作面圍巖穩(wěn)定性的因素主要有:頂板的力學(xué)性質(zhì)、支架的工作阻力、端面距、水平支護(hù)力等。

2.1.1 頂板的力學(xué)性質(zhì)

頂板的力學(xué)性質(zhì)對(duì)大采高工作面頂板的穩(wěn)定性會(huì)受到頂板巖層硬度條件的影響，頂板巖層硬度越大，則頂板越難冒落，對(duì)端面頂板的穩(wěn)定性影響越小。

2.1.2 支架的支護(hù)阻力

支架的支護(hù)阻力對(duì)端面頂板穩(wěn)定性具有重要影響，在確保其他條件相同的情況下，支架的支護(hù)阻力越大，端面頂板的冒落程度則越小。

2.1.3 端面距

對(duì)于大采高工作面，當(dāng)架型選取確定時(shí)，在相同的頂板力學(xué)性質(zhì)作用下，無論支架的支護(hù)阻力為何值，只要端面距超過某一范圍，且端面的頂板下沉量達(dá)到允許最大值，則端面的頂板將很難控制，端面頂板處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這個(gè)范圍即為極限端面距。只有工作面端面距保持在極限端面距范圍內(nèi)，才能確保端面頂板的穩(wěn)定。

2.1.4 水平支護(hù)力

由于支架的支護(hù)阻力較大，導(dǎo)致支架支撐角度對(duì)端面穩(wěn)定性的影響不是很明顯，而且在工作面回采過程中也未曾發(fā)出過端面頂板冒落的情況。

2.2 大采高支架與圍巖關(guān)系

1)支架載荷和現(xiàn)行的頂板類別關(guān)系不明顯。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的頂板分類，頂板的支護(hù)強(qiáng)度隨基本頂?shù)募?jí)別增大呈線性增大，這是因?yàn)椴蓤?chǎng)來壓的強(qiáng)度與頂板巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和來壓步距大小直接相關(guān)，而對(duì)于大采高綜采，這一關(guān)系不明顯。

2)支架初撐力與工作阻力呈線性關(guān)系。大采高支架的初撐力及工作阻力曲線為線性關(guān)系，它與普通綜采的對(duì)數(shù)關(guān)系不同，后者在達(dá)到臨界初撐力后工作阻力的增長(zhǎng)速度變慢，但大采高綜采的線性關(guān)系則是繼續(xù)呈線性增長(zhǎng)，這一關(guān)系顯示了其以靜載為主的特性，巖體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)對(duì)采場(chǎng)支架無明顯影響。

3)采高與支護(hù)強(qiáng)度呈正比關(guān)系，這一關(guān)系為選擇支架阻力參數(shù)提供了參考依據(jù)。

4)支架受力以圍巖靜載為主，也就是支架基本上承受著大約4倍左右采高的頂板巖重加上其懸頂重力。由于控制的頂板層位高，其上巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的動(dòng)載對(duì)支架本身影響不大，即使有較大的動(dòng)載荷，也由于有4倍采高厚的破碎巖石作墊層，也很難傳遞給支架，因此雖然載荷大，但動(dòng)載系數(shù)很小，是以靜載即頂板的重力加在支架上的。

3 觀測(cè)目的、內(nèi)容

3.1 礦壓觀測(cè)目的

通過對(duì)許疃煤礦7229工作面及回采巷道進(jìn)行礦壓觀測(cè)研究，以取得如下目標(biāo):(1)掌握7229大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律;(2)確定回采巷道圍巖變形規(guī)律;(3)確定大采高工作面超前影響范圍;(4)分析回采巷道原支護(hù)方案合理性，為原有支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化或重新設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

3.2 礦壓觀測(cè)方案

從工作面機(jī)頭至機(jī)尾分別在5架、15架、25架、35架、45架、55架、65架、75架安裝 KBJ－60Ⅲ－1數(shù)字式壓力計(jì)，該壓力計(jì)每隔五分鐘記錄一次支架的初撐力和工作阻力，能夠準(zhǔn)確的掌握工作面頂板來壓情況;另外在工作面綜采支架10架、20架、30架、40架、50架、60架、70架每架安一塊壓力表，共在工作面布15條測(cè)線，每天采集一次，進(jìn)行日常礦壓監(jiān)控觀測(cè)，如圖1所示。同時(shí)觀察記錄老頂初次垮落和周期垮落情況及步距。

為了掌握7229工作面回采巷道受本工作面回采影響的圍巖變形規(guī)律，確定工作面回采對(duì)巷道圍巖變形的影響，需對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)。根據(jù)巷道圍巖變形觀測(cè)內(nèi)容，在兩條巷道內(nèi)分別布置7個(gè)觀測(cè)站，每個(gè)測(cè)站間隔20 m，采用“十”字布點(diǎn)法對(duì)巷道表面移近量進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)站在巷道內(nèi)的布置參數(shù)如圖1所示:

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

4 工作面礦壓顯現(xiàn)特征

4.1 直接頂初次垮落

當(dāng)隨工作面推進(jìn)至9 m時(shí)，直接頂開始逐步分段垮落，30架至60架支架采空區(qū)冒落比較充分;直接頂板隨采隨冒，支架工作阻力逐漸增大，直接頂冒落過后支架后上方形成松動(dòng)三角區(qū)，致使支架后上方受力偏低。

4.2 工作面初次來壓顯現(xiàn)

自開切眼開始，當(dāng)老頂懸露達(dá)到極限跨距時(shí)，老頂斷裂形成三鉸拱式的平衡，同時(shí)發(fā)生已破斷的巖塊回轉(zhuǎn)失穩(wěn)。此時(shí)，工作面支架呈現(xiàn)受力普遍加大現(xiàn)象，即稱為老頂?shù)某醮蝸韷?。由開切眼到初次來壓時(shí)工作面推進(jìn)的距離稱為老頂?shù)某醮蝸韷翰骄?，本面切眼寬度? m。

根據(jù)近2011年9月5日到10月8日的礦壓觀測(cè)，以工作面推進(jìn)距離和時(shí)間為橫坐標(biāo)，以支架前后柱壓力為縱坐標(biāo)，工作面上部、中部、下部支架實(shí)測(cè)的壓力曲線分別如圖:

圖2 工作面下部測(cè)點(diǎn)壓力曲線

根據(jù)圖2中數(shù)據(jù)分析，可以看出7229大采高工作面下部初次來壓步距約為30.5 m，工作面在非來壓期間煤壁及頂板較穩(wěn)定，而來壓時(shí)煤壁片幫和頂板破碎較為嚴(yán)重?；卷攣韷浩陂g，頂板較破碎，動(dòng)載系數(shù)在1.6左右，使得大采高支架載荷變化較為明顯，同時(shí)也說明基本頂?shù)氖Х€(wěn)對(duì)工作面下部影響程度較大。

圖3 工作面中部測(cè)點(diǎn)壓力曲線

根據(jù)圖3中數(shù)據(jù)分析，可以看出7229大采高工作面中部初次來壓步距約為27.2 m，工作面在非來壓期間煤壁及頂板較穩(wěn)定，來壓時(shí)煤壁片幫和頂板破碎較為嚴(yán)重?；卷攣韷浩陂g，直接頂頂板局部出現(xiàn)裂隙破碎，動(dòng)載系數(shù)在1.5左右，使得大采高支架載荷變化比較明顯，同時(shí)也說明基本頂?shù)氖Х€(wěn)對(duì)工作面中部影響較為明顯。

圖4 工作面上部測(cè)點(diǎn)壓力曲線

根據(jù)圖4中數(shù)據(jù)分析，可以看出7229大采高工作面上部初次來壓步距約為28.9 m，工作面在非來壓期間煤壁及頂板較穩(wěn)定，來壓時(shí)煤壁片幫和頂板破碎不明顯?；卷攣韷浩陂g，頂板基本正常，動(dòng)載系數(shù)在1.2左右，使得大采高支架載荷變化不易察覺，同時(shí)也說明基本頂?shù)氖Х€(wěn)對(duì)工作面上部影響不明顯。

通過對(duì)工作面各測(cè)區(qū)液壓支架工作阻力實(shí)測(cè)曲線的分析，得出工作面老頂初次來壓步距如表1所示。從觀測(cè)的數(shù)據(jù)分析可知，7229工作面頂板初次來壓由于工作面在推進(jìn)過程中，受到煤層厚度變化、地質(zhì)構(gòu)造及推進(jìn)速度等各種復(fù)雜條件的影響，導(dǎo)致來壓表現(xiàn)出的主要特征為:工作面上、中、下部各個(gè)部位周期來壓時(shí)間不一致，來壓步距也不相同，工作面下部來壓相對(duì)滯后，且來壓強(qiáng)度明顯高于中上部。工作面初次來壓步距的變化范圍在27～31 m，平均28.9 m。

表1 老頂初次來壓步距

由此可知，7229工作面老頂初次來壓是分段進(jìn)行的。由于工作面長(zhǎng)度為137 m，上、下段推進(jìn)距離基本一致，工作面各個(gè)部位初次來壓時(shí)間不同步，來壓步距也不同。因此，受工作面地質(zhì)構(gòu)造及其他因素影響，工作面中上部首先來壓，之后向工作面下部開始進(jìn)行。工作面老頂初來壓步距在27～31 m之間變化。

4.3 老頂周期來壓顯現(xiàn)特征

老頂初次來壓后，回采工作面繼續(xù)推進(jìn)，砌體梁所形成的結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，上覆巖層的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷“穩(wěn)定—失穩(wěn)—再穩(wěn)定”的過程，由于結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)導(dǎo)致了工作面頂板的來壓，這種的來壓隨著工作面的推進(jìn)而呈周期性出現(xiàn)。因此，由于裂隙帶巖層周期性失穩(wěn)而引起的頂板來壓現(xiàn)象稱之為工作面頂板的周期來壓。

圖5 工作面下部測(cè)點(diǎn)周期來壓曲線圖

圖6 工作面中部測(cè)點(diǎn)周期來壓曲線圖

從觀測(cè)的數(shù)據(jù)分析可知，7229工作面頂板周期來壓由于工作面在推進(jìn)過程中，和初次來壓一樣由于受到煤層厚度變化、地質(zhì)構(gòu)造、支架初撐力管理及推進(jìn)速度等各種復(fù)雜條件的影響，導(dǎo)致周期來壓同樣表現(xiàn)出的主要特征為:工作面上、中、下部各個(gè)部位周期來壓時(shí)間不一致，來壓步距也不相同。從壓力運(yùn)行曲線上看，壓力呈現(xiàn)出一定的周期性變化，基本上反映了上覆較堅(jiān)硬頂板巖層周期性斷裂運(yùn)動(dòng)對(duì)支架壓力的影響。工作面老頂周期來壓步距如表2所示。

表2 周期來壓步距

由此可知，7229工作面老頂周期來壓也是分段進(jìn)行的。工作面老頂周期來壓步距在12 m～13 m之間變化，平均來壓步距為12.7 m。

4.4 超前影響范圍確定

通過對(duì)工作面回采巷道圍巖移近量連續(xù)實(shí)測(cè)，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，研究大采高工作面在回采過程中對(duì)回采巷道的超前影響范圍。按照在工作面回采巷道觀測(cè)站的布置，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)圍巖移近量數(shù)據(jù)分析處理，并繪制距工作面不同距離處的圍巖移近速度變化曲線圖(如圖8所示)，確定工作面超前影響范圍。

圖8 工作面回采巷道兩幫圍巖移近速度變化

結(jié)合圖中數(shù)據(jù)分析可以看出:

1)在工作面前方12～22 m范圍內(nèi)巷道受采動(dòng)影響劇烈，巷道圍巖收斂速度最大;

2)回采巷道兩幫圍巖表面收斂速度在大采高工作面推進(jìn)到12 m范圍內(nèi)時(shí)達(dá)到峰值;

3)工作面在回采過程中對(duì)回風(fēng)巷超前影響范圍達(dá)到42m，對(duì)皮帶巷超前影響范圍達(dá)到48m。

4.5 礦壓顯現(xiàn)特征分析

受煤層傾角、回采工藝、煤巖賦存條件、頂板動(dòng)態(tài)、支護(hù)質(zhì)量及開采邊界條件等因素的影響，大采高工作面沿傾向頂板壓力會(huì)有所不同。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得到大采高工作面在周期來壓期間和非周期來壓期間沿傾向支架載荷分布變化如圖9、圖10所示。

圖9 工作面沿傾向支架載荷分布(周期來壓期間)

圖10 工作面沿傾向支架載荷分布(非周期來壓期間)

從圖中可以看出:工作面頂板壓力沿傾向由中部向兩側(cè)呈下降趨勢(shì)，工作面下部和中部支架載荷相近，且下部和中部支架載荷比上部略大，但整體上都未能達(dá)到支架額定工作阻力，這是由于大采高工作面開采后，在工作面上方形成較大的空間，而直接頂跨落后堆積的矸石剛度較小，且不能對(duì)支架后方的采空區(qū)充分填充所致。因此須加強(qiáng)對(duì)大采高工作面整體頂板控制，提高支架初撐力，增強(qiáng)支架控頂效果。

5 結(jié)論

通過對(duì)7229工作面綜采液壓支架載荷的連續(xù)觀測(cè)記錄，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際，得出了工作面老頂初次來壓步距和周期來壓步距，分析出該工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和來壓步距，可以為類似大采高工作面的支護(hù)設(shè)計(jì)和日常管理提供可靠的參考資料，具有現(xiàn)實(shí)的意義。

1)受工作面地質(zhì)構(gòu)造及其他因素影響，工作面中上部首先來壓，之后向工作面下部開始進(jìn)行。工作面初次來壓步距的變化范圍在27 m～31 m，平均28.9 m。

2)在回采過程中由于頂板斷裂受到煤層傾角起伏變化的影響，導(dǎo)致周期來壓步距會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，工作面周期來壓步距約為12.7m，動(dòng)載系數(shù)1.43，屬周期來壓顯現(xiàn)強(qiáng)度較小的大采高工作面。

3)在工作面前方12～22 m范圍內(nèi)巷道圍巖收斂速度最大，工作面推進(jìn)到12 m時(shí)達(dá)到峰值，回風(fēng)巷和皮帶巷收斂速度分別達(dá)到50和58 mm/d;工作面回采對(duì)順槽超前影響范圍，回風(fēng)巷為42 m，皮帶巷為48 m。

4)7229工作面支架載荷沿傾向由中部向兩側(cè)呈下降趨勢(shì)，整體上都未能達(dá)到支架額定工作阻力，應(yīng)加強(qiáng)支架初撐力的管理，及時(shí)調(diào)節(jié)支架的受力狀態(tài)，確保支架保持良好的運(yùn)行狀態(tài)。

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