馬啟廷 陳道志 王 凱

（1.滕州郭莊礦業(yè)有限責(zé)任公司，山東 滕州 277500；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院, 山東 青島 266590）

薄煤層是指厚度在1.3m以下的煤層。在開采薄煤層時(shí)應(yīng)用沿空留巷技術(shù)，能夠最大限度地提高薄煤層煤炭采出量，減少掘進(jìn)巷道的數(shù)量[1]。采用沿空留巷巷道通常會(huì)受到兩次采動(dòng)壓力的影響，因此需要對沿空留巷工作面的礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行觀測和研究，為巷道的布置與支護(hù)形式提供依據(jù)。針對沿空留巷工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，已有很多學(xué)者做了相關(guān)的研究[2]，為錦丘煤礦工作面礦壓觀測提供了理論和技術(shù)上的依據(jù)。

1 工程概括

錦丘煤礦開采16煤層，煤層厚度0.7～1.85m，平均1.01m，屬于薄煤層，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，屬穩(wěn)定型可采薄煤層。16煤層開采區(qū)段巷道采用留窄小煤柱形式。16煤層頂板為灰?guī)r，局部堅(jiān)硬區(qū)域極易造成大面積來壓切頂，嚴(yán)重影響礦井正常生產(chǎn)與安全。為確保礦井正常生產(chǎn)安全，迫切需要了解16層煤受采動(dòng)影響圍巖支承壓力的分布與變化規(guī)律。

2 頂板運(yùn)動(dòng)步距

直接頂初次垮落后，工作面頂板開始進(jìn)入基本頂初次來壓階段。隨著工作面的推進(jìn)，基本頂巖層逐漸發(fā)生離層、下沉繼而在巖梁端部和中部發(fā)生斷裂，基本頂?shù)臄嗔押拖鲁列纬闪斯ぷ髅鎭韷?。工作面頂板巖梁在推進(jìn)方向上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律包括直接頂?shù)某醮慰迓洳骄唷⒒卷數(shù)某醮蝸韷翰骄嗉爸芷趤韷翰骄郲3-4]。

2.1 初次垮落步距

工作面上方的直接頂可視為“板”，利用彈性力學(xué)理論推導(dǎo)的“板”極限破壞步距公式求解[5]。

式中：

LOZ-直接頂初次垮落步距，m；

σt-巖層抗拉強(qiáng)度，kg/m3；

k-巖層龜裂系數(shù)，k=0.25～0.75；

m-運(yùn)動(dòng)巖層厚度，m；

b-工作面斜長，m；

γ-巖層容重，kg/m3；

α-工作面傾角，（°）。

根據(jù)錦丘煤礦工作面16101直接頂與基本頂?shù)暮穸纫约皫r層巖性，各參數(shù)的取值及計(jì)算結(jié)果見表1所示。

表1 頂板運(yùn)動(dòng)步距計(jì)算參數(shù)

2.2 周期來壓步距

由于受力情況和支撐條件的變化，與初次來壓步距C0相比周期來壓步距要小得多，一般認(rèn)為周期來壓步距等于1/4～1/3C0[6]。在我國的一些礦井回采工作面的生產(chǎn)實(shí)踐中也證實(shí)了周期來壓步距C與初次來壓步距C0的這種比例關(guān)系。錦丘煤礦工作面的周期來壓步距C：

經(jīng)過以上理論分析，計(jì)算得到的巖梁運(yùn)動(dòng)步距，直接頂初次垮落步距15.64m，基本頂初次來壓步距34m，基本頂周期來壓步距13.67m。

3 礦壓觀測及分析

3.1 礦壓觀測方法

根據(jù)觀測結(jié)果，對工作面回采過程中的頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律及來壓特征、超前支承壓力影響范圍和分布特點(diǎn)、工作面支護(hù)質(zhì)量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸納、總結(jié)分析。

通過分析支柱每循環(huán)壓力曲線變化特征來分析支柱工作狀態(tài)。支柱工作狀態(tài)是采場上覆巖層的運(yùn)動(dòng)變化情況的直接反映，通過支柱壓力的變化能夠準(zhǔn)確判斷出采場上覆巖層的運(yùn)動(dòng)變化情況。隨采場推進(jìn)，基本頂來壓時(shí)巖梁會(huì)斷裂、下沉，工作面的壓力也隨之呈現(xiàn)周期性的變化，在支柱的壓力顯現(xiàn)上也會(huì)具有一定的周期規(guī)律性。

（1）工作面礦壓觀測

工作面布置3條測線，觀測支柱工作阻力的變化情況。測線布置：上部3條測線，即分別從機(jī)頭部依次編號(hào)1～3號(hào)測線。由錦丘煤礦生產(chǎn)科礦壓組負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，連續(xù)觀測支架的初撐力、工作阻力，每班采集5次數(shù)據(jù)。

（2） 順槽礦壓顯現(xiàn)觀測

在巷道超前支護(hù)范圍內(nèi)的單體液壓支柱上各安設(shè)4臺(tái)SYZ-60型閥控式單體支柱壓力在線記錄儀，連續(xù)觀測單體支柱支護(hù)阻力的變化情況，每班采集數(shù)據(jù)5次，工作面測點(diǎn)布置如圖1所示。

3.2 頂板運(yùn)動(dòng)步距實(shí)測

在工作面正常生產(chǎn)階段，由于單體支柱阻力曲線隨著上覆巖梁的周期性運(yùn)動(dòng)具有周期性變化的規(guī)律。因此，可以通過曲線在觀測時(shí)間段上的周期性變化來判定頂板的運(yùn)動(dòng)步距。

圖1 工作面測點(diǎn)布置圖

利用單體支柱“P-t”原始記錄曲線分析頂板的運(yùn)動(dòng)步距。通過實(shí)測對直接頂和基本頂初次垮落步距的分析，根據(jù)單體液壓支柱工作狀態(tài)和圖2來分析頂板周期運(yùn)動(dòng)步距實(shí)測結(jié)果。

通過圖2可以看出，各單體支柱在11月17日、11月22日、11月26日、12月1日、12月5日、12月9日期間都有壓力峰值出現(xiàn)，而且持續(xù)時(shí)間大致相同，由此判斷在觀測期間共有五次頂板周期運(yùn)動(dòng)。

表2 上工作面巖梁周期運(yùn)動(dòng)步距觀測結(jié)果

由表2可知上工作面巖梁周期運(yùn)動(dòng)步距為：

L=(16.45+13.2+16.37+13.2+13.3)/5=14.5m

可知工作面巖梁周期運(yùn)動(dòng)步距為L=14.5m。上述對頂板運(yùn)動(dòng)各次步距大小分析，其值與錦丘煤礦同一區(qū)段其他工作面相比非常接近，故推斷基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄嘁泊笾孪嗤?jīng)類比仍可初步確定C=14.5m。

圖2 工作面單體支柱工作阻力

4 采場支承壓力分布及顯現(xiàn)規(guī)律

煤層上的支承壓力分布和在工作面巷道中的顯現(xiàn)以及兩者間的關(guān)系，是由上覆巖層的狀態(tài)和煤體本身各處的支承能力所決定。因此了解煤受力分布狀態(tài)及其破壞狀態(tài)的發(fā)展過程，搞清上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律，就能對支承壓力的分布和顯現(xiàn)規(guī)律作出正確的判斷。

利用4臺(tái)單體支柱壓力計(jì)，分別測得距工作面煤壁5m點(diǎn)、10m點(diǎn)、15m和20m點(diǎn)的單體液壓支柱壓力值，繪成的R-t曲線如圖3所示，

分析得到如下結(jié)論：

（1）總體來講，在超前支護(hù)范圍的20m內(nèi)，隨著距煤壁的距離增大，支承壓力顯現(xiàn)的總體趨勢是單調(diào)下降的，靠近工作面煤壁部位越近，單體支柱的壓力值就越大。

（2）從單體液壓支柱的壓力分布直方圖上可以看出，單體支柱的平均工作阻力為15～20MPa，符合單體支柱的正常工作壓力要求。

（3）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際觀測，單體液壓支柱的實(shí)測壓力曲線可以很好地反映采動(dòng)影響的支承壓力分布與發(fā)展規(guī)律。

圖3 順槽超前壓力曲線圖

5 結(jié)語

根據(jù)錦丘煤礦16101薄煤層工作面開采條件，經(jīng)過理論分析、礦壓觀測等得到了支承壓力的分布和顯現(xiàn)規(guī)律，主要有以下幾點(diǎn)：

（1）直接頂初次垮落步距15.64m，基本頂初次來壓步距34m，基本頂周期來壓步距13.67m。

（2）通過對順槽超前支護(hù)的單體液壓支柱壓力的監(jiān)測，隨著距煤壁的距離增大，支承壓力顯現(xiàn)的總體趨勢是單調(diào)下降，頂板巖梁來壓時(shí)的壓力值均大于來壓前的壓力值，單體支柱的平均工作阻力為符合單體支柱的正常工作壓力要求。

（3）16101工作面是錦丘煤礦16煤首采工作面。對該工作面進(jìn)行系統(tǒng)而全面的礦壓監(jiān)測可以掌握16101工作面乃至整個(gè)一采區(qū)工作面的采場上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、確定需控巖層的范圍、建立采場支架與頂板的相互關(guān)系、進(jìn)行基本頂來壓預(yù)報(bào)等。