楊曉寒， 劉喜兵

(1.汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)，山西 孝義 032302；2.汾西礦業(yè)集團(tuán)五人小組管理局，山西 介休 032000)

大傾角工作面頂板礦壓觀測(cè)研究

楊曉寒1， 劉喜兵2

(1.汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)，山西 孝義 032302；2.汾西礦業(yè)集團(tuán)五人小組管理局，山西 介休 032000)

以某礦1224大傾角工作面為研究對(duì)象，在工作面上、中、下3段各選5組支架，觀測(cè)在行進(jìn)過程中支架受力及在工作面兩順槽內(nèi)布置的觀測(cè)站，觀測(cè)巷道頂?shù)装?、兩幫隨著工作面的推進(jìn)巷道圍巖變形。研究結(jié)果表明，該工作面傾向中部區(qū)域支架載荷最大、上部次之、下部最小，皮帶運(yùn)輸巷側(cè)向支承壓力較大；在工作面上、中、下區(qū)域內(nèi)來壓步距、來壓強(qiáng)度以及來壓順序不同，表現(xiàn)出時(shí)間的不同步，強(qiáng)度的不一致。

大傾角；礦壓觀測(cè)；巷道變形

某煤礦1224綜放工作面在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)液壓支架傾倒、下滑嚴(yán)重，支架移架、調(diào)架困難，工作面中上部易發(fā)生漏頂、煤壁片幫等問題。這些問題嚴(yán)重影響工作面正常生產(chǎn)，對(duì)工作人員安全構(gòu)成威脅，制約著礦井生產(chǎn)效益的提高。隨著后續(xù)15、16采區(qū)接替開采，煤層傾角可達(dá)到48°以上，上述問題將會(huì)更加嚴(yán)重，工作面安全高效開采難度將會(huì)更大。

1 工作面概況

1224綜放工作面隸屬于12采區(qū)，主采2#煤，煤層埋藏深度約為400 m。工作面傾斜長(zhǎng)度為178 m～188 m(平均183.7 m)，煤層厚度為6.8 m～9.8 m(平均8.15 m)，煤層傾角為30°～39°(平均34.5°)。直接頂厚度為6.35 m，主要由泥巖和炭質(zhì)泥巖組成?；卷敽穸葹?5.4 m，主要由中粒砂巖和粉砂巖組成。底板厚度為22.0 m，主要由粉砂巖和炭質(zhì)泥巖組成。

1224綜放工作面主要巷道有，工作面回風(fēng)巷、工作面切眼、工作面膠帶運(yùn)輸巷和機(jī)運(yùn)輔聯(lián)絡(luò)巷。工作面回風(fēng)巷為矩形巷道，凈寬3.8 m，凈高3.2 m；工作面切眼為矩形斷面，斜長(zhǎng)為187.3 m，凈寬為7.5 m，凈高為3.2 m；工作面膠帶運(yùn)輸巷為矩形巷道，凈寬5.0 m，凈高3.2 m；工作面機(jī)運(yùn)輔聯(lián)絡(luò)巷為矩形巷道，凈寬2.6 m，凈高2.8 m。

2 工作面礦山壓力現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

通過對(duì)某煤礦1224工作面礦山壓力現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，獲取大傾角煤層綜放工作面液壓支架工作阻力分布規(guī)律，工作面基本頂初次來壓、周期來壓規(guī)律，工作面超前支承壓力分布特征。

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，掌握工作面礦山壓力顯現(xiàn)的一般規(guī)律，進(jìn)一步研究礦山壓力顯現(xiàn)的力學(xué)機(jī)制，分析工作面頂板結(jié)構(gòu)特征及其與支架相互作用關(guān)系。同時(shí)，為某煤礦后續(xù)工作面及回采巷道布置方式、回采工藝選擇、設(shè)備配置提供依據(jù)[1]。

2.1 礦壓觀測(cè)的方法

2.1.1 支架壓力監(jiān)測(cè)

采用工作面現(xiàn)有的ZFS8600/18/35D系列液壓支架SAC型電液控制系統(tǒng)，進(jìn)行工作面液壓支架支柱壓力監(jiān)測(cè)。工作面共有98套基本架，工作面每套液壓支架均裝備一套SAC型電液控制系統(tǒng)，沿工作面傾向選取上、中、下3個(gè)區(qū)域設(shè)為支架支柱壓力監(jiān)測(cè)站。每個(gè)區(qū)域選擇5臺(tái)液壓支架為一組，進(jìn)行支架支柱壓力的監(jiān)測(cè)。具體分組為：工作面上部區(qū)域的94#、92#、90#、88#、86#支架為第1組；工作面中部區(qū)域的54#、52#、50#、48#、46#支架為第2組；工作面下部區(qū)域的14#、12#、10#、8#、6#支架為第3組。采用卷尺和坡度儀定期對(duì)測(cè)站內(nèi)支架立柱伸縮量和傾斜角度進(jìn)行測(cè)量。

2.1.2 回采巷道變形監(jiān)測(cè)

采用“十字布點(diǎn)”法監(jiān)測(cè)工作面回風(fēng)巷和皮帶運(yùn)輸巷頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平?。在工作面回風(fēng)巷、皮帶運(yùn)輸巷中共安設(shè)7個(gè)測(cè)站，測(cè)站布置位置如圖1所示?；仫L(fēng)巷中設(shè)置3個(gè)測(cè)站，編號(hào)依次為1#、2#、3#，距巷口距離分別為195、240、310 m；皮帶運(yùn)輸巷中設(shè)置4個(gè)測(cè)站，編號(hào)依次為7#、6#、5#、4#，距巷口距離分別為50、80、110、150 m。

圖1 巷道表面位移測(cè)站布置

2.1.3 礦壓觀測(cè)周期

工作面礦壓觀測(cè)時(shí)間從2014年5月20日開始至2014年6月28日，歷時(shí)39 d。

2.2 工作面支架壓力特性

對(duì)所獲得的工作面上、中、下部區(qū)域測(cè)站中的液壓支架支柱壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[2]，得出工作面上、中、下部區(qū)域支架支柱壓力隨工作面推進(jìn)變化關(guān)系曲線圖(見圖2～圖4)。

圖2 工作面上部區(qū)域支架支柱壓力隨工作面推進(jìn)變化

通過分析圖2～圖4以及工作面液壓支架支柱壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出工作面液壓支架載荷隨工作面采動(dòng)以下特征[3]：

1) 工作面支架載荷大小沿工作面傾向非對(duì)稱分布明顯，工作面傾向中部區(qū)域支架載荷最大、上部次之、下部最小。中部支柱壓力均值為27.4 MPa，上部支柱壓力均值為25.8 MPa，下部支柱壓力均值為23.8 MPa。表明，沿工作面傾向頂板結(jié)構(gòu)具有非對(duì)稱性特征；工作面傾向的不同區(qū)域工作面頂板結(jié)構(gòu)形成的層位不同：工作面下部區(qū)域頂板結(jié)構(gòu)位于直接頂巖層中，中部區(qū)域頂板結(jié)構(gòu)位于基本頂巖層中，上部區(qū)域頂板結(jié)構(gòu)位于基本頂?shù)纳细矌r層中。證實(shí)了，頂板巖層中傾向砌體結(jié)構(gòu)和承載拱結(jié)構(gòu)的存在，并且覆巖承載拱結(jié)構(gòu)沿工作面傾向具有非對(duì)稱特征。

圖3 工作面中部區(qū)域支架支柱壓力隨工作面推進(jìn)變化

圖4 工作面下部區(qū)域支架支柱壓力隨工作面推進(jìn)變化

2) 基本頂周期來壓沿工作面傾向不同區(qū)域呈現(xiàn)出不同的特征。工作面上、中、下部區(qū)域內(nèi)來壓步距、來壓強(qiáng)度以及來壓次序不同，呈現(xiàn)出時(shí)間的不同步、強(qiáng)度的不一致。一般工作面上部來壓強(qiáng)度適中，步距?。恢胁縼韷簭?qiáng)度大，來壓步距適中；下部來壓強(qiáng)度小，步距大。一般來壓次序?yàn)?，先上部來壓、后中部來壓、最后下部來壓?/p>

3) 工作面傾向不同區(qū)域支架載荷非均衡明顯，工作面上部區(qū)域支架載荷不均衡性最大、中部次之、下部最小。運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)知識(shí)，得出工作面不同區(qū)域支架支柱壓力的方差值分別為，上部為36.3，中部為27.3，下部為15.6。主要原因可能是，由于工作面上部區(qū)域頂板垮落高度大、頂板形成結(jié)構(gòu)的巖層高，導(dǎo)致支架有時(shí)處于空載，有時(shí)受到大塊巖體的沖擊載荷作用(結(jié)構(gòu)破壞)，所以支架受力波動(dòng)性較大；而中部區(qū)域項(xiàng)板結(jié)構(gòu)形成的層位正常，支架與圍巖之間的相互作用較穩(wěn)定，所以中部支架載荷的均衡性較好；下部區(qū)域由于頂板結(jié)構(gòu)形成的巖層較低，并且結(jié)構(gòu)容易維持穩(wěn)定，支架與頂板圍巖間相互接觸緊密，支架壓力比較穩(wěn)定。

4) 工作面周期來壓明顯，大約每隔5 d來壓1次，周期來壓步距約為20 m。周期來壓時(shí)支架支柱壓力約為33.2 MPa，不來壓時(shí)支架支柱壓力為25.7 MPa，來壓強(qiáng)度比為1.29。

2.3 巷道表面變形特征

巷道表面位移包括巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平俊?duì)某煤礦1224工作面回風(fēng)巷和皮帶運(yùn)輸巷巷道表面位移觀測(cè)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到巷道頂?shù)装濉蓭鸵平颗c工作面距離關(guān)系曲線圖(如圖5～圖8)。

圖5 回風(fēng)巷1#測(cè)站頂?shù)装逡平颗c距工作面距離曲線

圖6 回風(fēng)巷1#測(cè)站兩幫移近量與距工作面距離曲線

圖7 皮帶運(yùn)輸巷7#測(cè)站頂?shù)装逡平颗c距工作面距離曲線

圖8 皮帶運(yùn)輸巷7#測(cè)站兩幫移近量與距工作面距離曲線

通過對(duì)巷道表面位移與距工作面距離關(guān)系曲線圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，工作面回風(fēng)巷和皮帶運(yùn)輸巷巷道表面變形具有以下特征[4]：

1) 觀測(cè)期間，工作面回風(fēng)巷和皮帶運(yùn)輸巷各觀測(cè)斷站巷道頂?shù)装謇塾?jì)移近量、兩幫累計(jì)移近量變形趨勢(shì)隨著觀測(cè)站距工作面距離的減小而呈階梯式增加。表明，測(cè)站巷道在觀測(cè)周期內(nèi)受到多次工作面超前支承壓力的作用。

2) 工作面回風(fēng)巷、皮帶運(yùn)輸巷表面累計(jì)變形量大約每隔30 m就出現(xiàn)一次階梯式增加，累計(jì)變形速度(曲線的斜率)增大。表明，工作面超前支承壓力的顯著影響范圍大約位于工作面前方30 m內(nèi)，此范圍內(nèi)巷道變形嚴(yán)重，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈[5]。

3) 當(dāng)觀測(cè)站與工作面的距離大于80 m時(shí)，巷道表面累計(jì)變形速度較小，巷道圍巖趨于穩(wěn)定。表明，工作面超前支承壓力的最大影響范圍大約為工作面前方80 m。

4) 觀測(cè)期間，回風(fēng)巷頂?shù)装逡平孔畲鬄?0 mm，最小為10 mm，兩幫移近量為10 mm；皮帶運(yùn)輸巷頂?shù)装逡平孔畲鬄?10 mm，最小為10 mm，兩幫移近量最大為15 mm，最小為3 mm。表明，工作面超前支承壓力對(duì)頂?shù)装宓钠茐淖饔么笥趯?duì)兩幫的影響；側(cè)向支承壓力對(duì)皮帶巷的影響大于對(duì)回風(fēng)巷的影響。相對(duì)回風(fēng)巷而言，皮帶巷受到頂板側(cè)向支承壓力大。

3 結(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，獲得隨工作面推進(jìn)時(shí)的支架載荷變化、巷道頂?shù)装逡约皟蓭鸵平?。?duì)獲得的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得出工作面支架載荷變化特征以及巷道表面變形特征：

1) 工作面周期來壓明顯，周期來壓步距約為20 m，來壓時(shí)支架壓力約為33.2 MPa，不來壓時(shí)支架壓力為25.7 MPa，來壓強(qiáng)度比為1.29。工作面前方支承壓力的影響范圍為30 m～80 m，其對(duì)工作回采巷道的顯著作用范圍在工作面前方30 m以內(nèi)。工作面皮帶運(yùn)輸巷側(cè)向支承壓力較大，導(dǎo)致皮帶運(yùn)輸巷表面變形較大?；卷斨芷趤韷貉毓ぷ髅鎯A向不同區(qū)域呈現(xiàn)出不同的特征，在工作面上、中、下區(qū)域內(nèi)來壓步距、來壓強(qiáng)度以及來壓順序不同，表現(xiàn)出時(shí)間的不同步、強(qiáng)度的不一致。

2) 工作面支架載荷大小沿工作面傾向非對(duì)稱分布明顯，工作面傾向中部區(qū)域支架載荷最大、上部次之、下部最小。頂板結(jié)構(gòu)沿工作面傾向形成非對(duì)稱承載拱結(jié)構(gòu)，并在承載拱結(jié)構(gòu)的下方形成傾向砌體結(jié)構(gòu)，都對(duì)工作面支架起保護(hù)作用。承載拱結(jié)構(gòu)承擔(dān)了其上覆巖層自重，阻止了基本頂上覆巖層對(duì)其下方砌體機(jī)構(gòu)和支架傳遞力的作用；而傾向砌體結(jié)構(gòu)承擔(dān)了一部分基本頂巖層自重，減小了基本頂巖層對(duì)支架傳遞力的作用。

[1] 胡國(guó)偉，靳鐘銘.大采高綜采工作面礦壓觀測(cè)及其顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006，37(2):20-24.

[2] 湯建泉，粟才全，李英德.現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)方案設(shè)計(jì)[J].煤礦開采,2008，13(1):15-17.

[3] 蘇學(xué)貴，李彥斌，田萬壽.煤礦巷道支護(hù)與礦壓觀測(cè)研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008，39(15):87-90.

[4] 汪青倉(cāng)，趙永飛.淺埋深工作面礦壓觀測(cè)[J].礦山壓力與頂板管理,2004(9):30-34.

[5] 于朝輝.紅柳煤礦軟巖巷道礦壓觀測(cè)及變形特征研究[D].西安：西安科技大學(xué),2012.

Researchonminepressureobservationofroofinlargeinclinedangleworkingface

YANGXiaohan1,LIUXibing2

(1.ShuiyuCoalIndustryofFenxiMiningIndustryGroupCo.,Ltd.,XiaoyiShanxi032302,China;2.AdministrationofFivePeopleTeam,FenxiMiningIndustryGroupCo.,Ltd.,JiexiuShanxi032000,China)

Taking 1224 large inclinedangle working faceof a mine as research object,selecting five groups of stents in upper, middle and lower working face. In the course of travel, with support force observation andobservation station arranged in two grooved of the working face, the top andbottom sides of the roadway, and thedeformation ofsurrounding rock in roadway are observed with the advancing of the working face. The research results show that support load in central area of the working face is the largest, the upper is the second and the lower is the least.Lateral abutment pressure of belt transport laneis bigger. The different pressure interval, compressive strength and order of pressure in upper, middle and lower working surface showthe asynchrony of time, and inconsistence of the strength.

large inclined angle; mine pressure observation; roadway deformation

2017-02-20

楊曉寒，男，1985年出生，2012年畢業(yè)于太原理工大學(xué)采礦工程專業(yè)，采礦工程師。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.03.37

TD32

A

1004-7050(2017)03-0107-04

煤礦工程