李良紅　田靈濤　孫中光

（1.國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

工作面末采段礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與來壓增阻速率判斷方法

李良紅1田靈濤1孫中光2

（1.國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

針對傳統(tǒng)礦壓判據(jù)中的不足，將長壁式開采工作面的頂板簡化為懸臂梁模型，利用頂板的撓曲線方程，得到頂板的撓度增加值隨懸臂長度L的變化趨勢和撓度與支架初增阻速度的關(guān)系，將此增阻速率作為頂板來壓判據(jù)對察哈素煤礦的末采與貫通進行了指導(dǎo)，達到了預(yù)期效果。

深埋，軟巖，末采，礦壓顯現(xiàn)，增阻速率

1　引言

隨著礦井深度的增加，巷道圍巖應(yīng)力逐漸升高，礦壓顯現(xiàn)越來越突出［1-2］。 對于末采貫通技術(shù)要求也越來越高。為了保證貫通回撤時不發(fā)生支架壓事故，往往要根據(jù)末采礦壓規(guī)律進行等、讓壓措施。末采貫通讓壓技術(shù)就是通過頂板進行礦壓觀測，掌握頂板的周期來壓規(guī)律，在工作面與主回撤通道貫通前，在工作面推進至距離回撤通道一定距離時，若工作面無來壓，則暫時停止推進（停采時間一般為10 h 左右），等待工作面出現(xiàn)來壓跡象（一般以支架阻力開始上升，煤壁片幫加劇為標(biāo)準(zhǔn)），再繼續(xù)推進直至與主回撤通道貫通。通過調(diào)整工作面推進速度，調(diào)節(jié)周期來壓步距，使得工作面在即將貫通時出現(xiàn)最后一次周期來壓，讓老頂壓力得到充分釋放，保證回撤通道上方避開來壓峰值，同時新的懸頂面積不足以構(gòu)成一次周期來壓，從而避免貫通回撤時頂板來壓而造成支架被壓死［3-4］。

察哈素煤礦3101工作面為該礦的首采面，為了在貫通時避開來壓，對工作面末采段200m進行了礦壓規(guī)律研究，據(jù)此采用等壓措施避開了最后一次來壓，保證了貫通與回撤的順利進行。

2　察哈素工作面概況

察哈素礦井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)，3101 工作面煤層平均厚度6m。煤層傾角1～3°。煤層地質(zhì)構(gòu)造簡單，工作面走向長度2503.74m，傾向?qū)挾?00.58m。煤層頂?shù)装鍘r性見表；在頂?shù)装迳洗嬖谀鄮r，為后期的支護帶來非常大的困難。

表1　3101采煤工作面末采段頂?shù)装鍘r性明細(xì)表

3　末采礦壓規(guī)律分析

為了分析沿工作面面長方向不同部位頂板的來壓規(guī)律、顯現(xiàn)程度以及支架適應(yīng)性，進而掌握整個工作面的壓力分布情況，在工作面安裝重慶研究院生產(chǎn)的KJ693頂板動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進行觀測，從工作面推進到距離回撤通道200m開始觀測。

3.1頂板來壓的傳統(tǒng)方法分析

頂板來壓分析以支架每天最大（加權(quán)平均）工作阻力的平均值與其均方差之和作為判斷頂板來壓的主要指標(biāo)。數(shù)據(jù)計算的公式為：

利用公式1和公式2對支架阻力曲線進行了分析，獲得了3101工作面的周期來壓情況（表2）。從表1可以看出，周期來壓布距為18.6m。

表2　觀測期間周期來壓步距統(tǒng)計表（250m～100m）

由表可見，工作面不同位置支架來壓顯現(xiàn)特征有所不同，工作面上部支架來壓持續(xù)時間較短，來壓次數(shù)少；工作面中部及下部來壓步距較小，且來壓持續(xù)時間較長，有時甚至持續(xù)一天，來壓次數(shù)較上部區(qū)域少。

根據(jù)上述周期來壓規(guī)律可以預(yù)計工作面的兩次來壓將發(fā)生在距離回撤通道35m和17m處，貫通期間將發(fā)生周期來壓，對貫通及回撤非常不利。因此在工作面推進到距離回撤通道還有20m時，采取等壓措施，將周期來壓提前，改變來壓步距。在停采1天后，礦壓顯現(xiàn)劇烈。來壓后繼續(xù)進行正常推進，距離回撤通道18m時開始掛網(wǎng)。

由于工人對掛網(wǎng)工序不熟悉，導(dǎo)致工作推進速度減慢，由原來的每天推進8m變?yōu)槊刻焱七M1.6m，速度推進緩慢，導(dǎo)致支架礦壓整體顯現(xiàn)不明顯，對分析周期何時來壓造成困難。圖1為工作面距離回撤通道50m內(nèi)的支架阻力曲線。

圖1　支架阻力曲線圖

由圖1可見，對于3月2號以后，由于推進速度過慢，對于分析頂板是否來壓造成困難。為了彌補最大值判據(jù)的缺陷，采用了支架阻力增加速率的方法來進行判別。

3.2頂板來壓的增阻速率判斷方法

當(dāng)頂板周期性斷裂后，頂板以支架和煤壁為支點，將煤壁前方煤層和直接頂視為彈性地基，則頂板的受力情況可以簡化為如圖2所示的懸臂梁模型［5-6］。

圖2　頂板受力簡化圖

隨著采煤機割煤，基本頂?shù)膽冶垡搽S之增加，頂板會將撓度的增加值以變形能的形式傳遞給直接頂、支架、底板，頂板傳遞給支架和直接頂與底板的總能量為：

該能量將由直接頂W1、支架W2和底板W3三部分分別以變性能儲存。其中支架存儲的能量W2為：

式中：K2—支架剛度；

y2—支架變形量；

W泵—支架加壓到初撐力時泵給支架傳遞的彈性能；

支架在支護過程由于老頂來壓變形導(dǎo)致的阻力增加速度為：

由公式（5）可知，隨著工作面的推進，老頂?shù)膽冶坶L度L 也隨之加長，支架上方的整體撓度也會越大。這將直接導(dǎo)致每次支架移架接頂后△t 時間內(nèi)頂板傳遞給支架的能量增大，從而間接導(dǎo)致支架阻力增加速度將會隨著懸臂長度L 的增加而增加。利用支架接頂后的初增阻指標(biāo)將更加精確的反應(yīng)頂板懸臂的周期性變化情況，從而達到精確確定頂板周期來壓步距的目的。

根據(jù)公式（5），對3101工作面距回撤通道20m內(nèi)的支架阻力進行了增阻速率分析，分析發(fā)現(xiàn)3月7日，雖然支架的末阻力均不大，但是出現(xiàn)了明顯的快速增加現(xiàn)象（速率＞100kN/10min），判斷頂板來壓，此時距離回撤通道還有8m，建議礦方盡快推進，當(dāng)天全班割煤6刀，進尺4.7m，距回撤通道還有3.3m。3月8日繼續(xù)推進，此時支架的增阻速率降低，周期來壓結(jié)束，3月8日晚間正式貫通，沒有出現(xiàn)明顯的壓力現(xiàn)象。直至4月1日整個工作面回撤完畢，沒有再出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)情況，安全指導(dǎo)了礦方回撤工作。

4　結(jié)論

（1）利用傳統(tǒng)的周期來壓判據(jù)對察哈素煤礦3101工作面末采段的礦壓規(guī)律進行了分析。隨后由于停采與推進速度的變化，導(dǎo)致傳統(tǒng)方法不能有效的進行頂板來壓判斷。

（2）利用支架阻力增加速度的判據(jù)方法對支架阻力不明顯的情況進行了判斷，有效的掌握了頂板的來壓情況。利用該方法很好的指導(dǎo)了生產(chǎn)，說明了該理論的實用性。

［1］ 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

［2］ 賀安民.綜采工作面回撤“輔巷多通道”工藝設(shè)計的應(yīng)用［J］.煤炭工程，2007（10）：5-6.

［3］ 王金安，焦申華，謝廣祥.綜放工作面開采速度對圍巖應(yīng)力環(huán)境影響的研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25（5）：1-7.

［4］ 鄧維元.綜采工作面堅硬項板合理懸頂長度研究［J］.山西焦煤科技，2009，（4）：4-6.

［5］ 潘 岳，王志強，李愛武.初次斷裂期間超前工作面堅硬頂板撓度、彎矩和能量變化的分析解［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，31（1）：178-179

［6］ 高峰，錢鳴高，繆協(xié)興.采場支架工作阻力與頂板下沉量類雙曲線關(guān)系的探討.巖石力學(xué)工程學(xué)報，1999，18（6）：658-662

TD323

A

1003-5168（2015）11-044-02

李良紅（ 1973- ），男，工程師，主要從事煤礦技術(shù)管理工作。