張 波

(山西平舒煤業(yè)有限公司，山西 晉中 045400)

0 引言

隨著煤層開采逐步向深部轉(zhuǎn)移，淺部煤層多為地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層厚度較小的煤層，為減少資源的浪費，多數(shù)礦井對過去未開采的薄煤層進(jìn)行了重新開采，但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜與多樣性，尤其是堅硬頂板下的薄煤層工作面，其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究較少，導(dǎo)致工作面在開采過程中突然出現(xiàn)來壓導(dǎo)致支架壓死等現(xiàn)象出現(xiàn)，對礦井的安全生產(chǎn)產(chǎn)生很大的影響[1-3]。堅硬頂板條件下的薄煤層綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律一直是許多研究人員的研究課題。例如，王占立等采用了現(xiàn)場監(jiān)測的方法，對工作面突發(fā)沖擊性礦壓的預(yù)防措施進(jìn)行了研究；于斌等采用理論分析與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，對薄煤層工作面超前支承壓力的顯現(xiàn)特征進(jìn)行了研究[4-5]。

以山西某礦淺埋薄煤層堅硬頂板綜采工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，采用現(xiàn)場實測的方法，對堅硬頂板綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了研究，以期為該礦區(qū)其他相似條件工作面提供現(xiàn)實依據(jù)。

1 工程背景

山西某礦12502工作面位于五采區(qū)，該工作面開采煤層厚度在1.0～2.30 m之間，平均厚度1.70 m，容重1.37 t/m3，局部煤層夾一層0.10～0.40 m的泥巖，煤層厚度變化較大；煤層傾角2°～6°，平均傾角4°。工作面地面標(biāo)高為1 239～1 455 m，工作面標(biāo)高為1 006～1 066 m，埋深約為250 m，工作面北東部為礦井邊界(小窯破壞區(qū))，南東部為已形成的12503工作面，南西為大巷保護(hù)煤柱，北西部為已回采的12501工作面。工作面走向長度為1 500 m，傾斜長度為220 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，賦存較穩(wěn)定。

12502工作面煤層直接頂巖性為細(xì)砂巖，夾雜有一層偽頂，巖性為砂質(zhì)泥巖。基本頂為粉砂巖，屬于致密堅硬巖層。底板巖性為砂質(zhì)泥巖，較為破碎，內(nèi)含植物化石等，工作面頂?shù)装逯鶢顖D如圖1所示。由于頂板巖層硬度較大，因此研究工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律十分重要。

圖1 工作面綜合柱狀圖

2 礦壓觀測方案設(shè)計

2.1 觀測內(nèi)容

通過觀測工作面液壓支架的工作阻力隨工作面推進(jìn)度的變化情況而判斷工作面初次來壓步距以及周期來壓步距的大小，并進(jìn)一步分析頂板的來壓強(qiáng)度。通過對工作面液壓支架工作阻力以及初撐力等參數(shù)的觀測，判斷支架是否滿足工作面頂板的支護(hù)要求，依次來評價支架的合理性，是否能夠充分發(fā)揮作用。

2.2 觀測儀器布置

采用綜采液壓支架的壓力監(jiān)測儀對工作面液壓支架工作阻力進(jìn)行監(jiān)測，工作面的液壓支架壓力監(jiān)測儀布置情況為：共布置6架，分別是第5#、15#、55#、65#、125#、135#液壓支架。

2.3 數(shù)據(jù)記錄、整理

對整個回采過程中的礦壓顯現(xiàn)情況進(jìn)行監(jiān)測，屬于連續(xù)監(jiān)測過程，基本上兩天對工作面壓力數(shù)據(jù)收集1次，在生產(chǎn)班收集數(shù)據(jù)，在工作面來壓時，變?yōu)槊刻焓占?次數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)記錄的主要內(nèi)容為整個工作面范圍內(nèi)布置有測點的液壓支架的工作阻力數(shù)值以及煤壁宏觀礦壓情況。上井后，將記錄的數(shù)據(jù)及時整理、分析。整個監(jiān)測工作從工作面開挖的時候開始，一直推進(jìn)到200 m左右。

3 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

3.1 工作面液壓支架初撐力分析

支架提供合理的初撐力是保證工作面正常推進(jìn)過程中頂板維持穩(wěn)定、減少煤壁片幫現(xiàn)象的重要因素。工作面采用的液壓支架的額定初撐力為6 000 kN/架。工作面各位置液壓支架初撐力統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖2所示。

a-工作面上部支架；b-工作面中部支架；c-工作面下部支架圖2 支架平均工作阻力頻率分布

由圖2可知，12502工作面液壓支架的初撐力多分布在3 000～4 000 kN之間，所占比例達(dá)到30%～40%，超過4 000 kN的比例約為20%，根據(jù)液壓支架的額定初撐力為6 000 kN，若按其80%來算，即合理的初撐力應(yīng)達(dá)到4 800 kN，但從圖中可以看出，初撐力符合要求的情況極少，可以得出支架初撐力嚴(yán)重不足，因此造成工作面在推進(jìn)過程中進(jìn)程出現(xiàn)頂板冒落、煤壁片幫等現(xiàn)象。

3.2 工作面基本頂初次來壓分析

工作面自開切眼開始推進(jìn)至距工作面200 m范圍內(nèi)液壓支架平均工作阻力監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析，12502工作面推進(jìn)至距離切眼25～30 m范圍時液壓支架平均工作阻力急劇上升，強(qiáng)度高、持續(xù)時間短，基本頂發(fā)生初次來壓，工作面中部首先來壓，平均來壓步距 25.6 m，其次是機(jī)頭方向平均來壓步距26.4 m，最后是機(jī)尾方向，平均來壓步距27.3 m。整個長度范圍內(nèi)工作面初次來壓步距并不一致，大體呈現(xiàn)中間短兩端長，平均來壓步距25.4 m。

3.3 工作面周期來壓分析

對12502工作面上部、中部、下部3個位置共6個液壓支架的工作阻力進(jìn)行監(jiān)測，繪制工作面自開切眼推進(jìn)至200 m的過程中液壓支架工作阻力曲線如圖3所示。

a-工作面上部支架；b-工作面中部支架；c-工作面下部支架圖3 液壓支架平均工作阻力分布圖

通過對12509工作面不同位置液壓循環(huán)末支架工作阻力的分析，可以得出基本頂周期來壓特征主要如下：①12502工作面推進(jìn)從開切眼推進(jìn)到200 m的過程中，共監(jiān)測到基本頂周期來壓10～15次。其中，工作面中部周期來壓強(qiáng)度較大，兩端周期來壓強(qiáng)度相對較?。虎诟鶕?jù)工作面液壓支架工作阻力，工作面基本頂周期來壓步距在14～17 m范圍內(nèi)，平均值為16.5 m，工作面不同位置的基本頂周期來壓步距相差不大；③工作面未來壓時，鞏固走面煤壁較為完整，片幫情況較少，未出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，此時支架工作阻力躲在3 000～4 000 kN范圍內(nèi)，為額定工作阻力的45%；來壓時，工作面的礦壓顯現(xiàn)明顯，支架工作阻力急劇增大，其平均工作阻力為4 500～5 500 kN，為額定工作阻力的67%，因此工作面來壓時，未超過液壓支架額定工作阻力，液壓支架能夠滿足工作面安全開采。由于周期來壓時都會發(fā)生煤壁壓裂、片幫以及頂板冒落現(xiàn)象，因此可將煤壁等出現(xiàn)的該類礦壓顯現(xiàn)作為預(yù)報工作面來壓的一項指標(biāo)。

4 結(jié)論

(1)12502工作面液壓支架初撐力多分布在3 000～4 000 kN，未達(dá)到支架額定初撐力的80%，初撐力較小，已造成工作面煤壁片幫、冒頂?shù)痊F(xiàn)象出現(xiàn)。應(yīng)通過延長注液時間、二次注液等措施提高液壓支架初撐力。

(2)工作面初次來壓步距約為25.4 m，工作面中部首先來壓，其次是工作面兩端，整個長度范圍內(nèi)工作面初次來壓步距并不一致，但差距不大，大體呈現(xiàn)中間短兩端長。

(3)工作面周期來壓步距約為16.5 m，來壓時工作阻力在4 500～5 500 kN之間，未超過額定工作阻力。