王君杰

(西山煤電集團(tuán)公司 杜兒坪煤礦， 山西 太原 030022)

杜兒坪煤礦主要可采煤層為2#、3#、6#、7#、8#、9#煤，可采煤層總厚度16.37 m，煤種有貧煤、瘦煤和貧瘦煤。目前主要開采2#、3#、8#煤層，基于2#與3#煤層間距較薄，巷道圍巖壓力大，針對傳統(tǒng)機械式頂板監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)不連續(xù)的問題，在采掘過程中對巷道及工作面加設(shè)頂板在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過對不間斷數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)頂板活動規(guī)律，為支護(hù)方案優(yōu)化提供依據(jù)，降低圍巖壓力對采掘活動的影響，從而提高礦井生產(chǎn)效率。

1 工作面概況

73904工作面位于杜兒坪煤礦南九盤區(qū)3#煤層，走向長963 m，傾向長147 m，煤層厚度穩(wěn)定，總厚3.154～4.50 m，平均3.64 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層傾角2°～6°，平均3°,直接頂為3.30 m厚細(xì)粒砂巖，基本頂為3.0 m厚粗粒砂巖，直接底為5.6 m厚砂質(zhì)泥巖，基本底為8.50 m厚K5含礫粗砂巖，可采儲量574 770.9 t，屬貧瘦煤，硫分較低，灰分較高。73904工作面北鄰南九3#煤皮帶巷，東鄰73903工作面(已采)，西鄰73906工作面(未掘)。工作面上部為72904工作面采空區(qū)，層間距2.7～3.8 m，為近距離煤層， 工作面布置見圖1.

圖1 工作面布置圖

2 頂板動態(tài)監(jiān)測方案

巷道頂板活動主要表現(xiàn)形式有3種，即彎曲下沉、冒頂及離層，為更好地實現(xiàn)對73904工作面兩巷頂板活動情況的監(jiān)測，在兩巷每隔50 m布置一組礦壓監(jiān)測點，包括：GUD500頂板離層儀在線監(jiān)測、錨桿錨索測力計。同時，對工作面支架壓力進(jìn)行監(jiān)測。73904工作面共布置98臺液壓支架，為實時監(jiān)測工作面支架工作阻力，將工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)安裝于架內(nèi)。支架壓力監(jiān)測站共9個，第1個監(jiān)測點布置在第11#支架，中間間隔10架，第2個監(jiān)測點布置在第21#支架，依次類推。系統(tǒng)現(xiàn)場總線采用標(biāo)準(zhǔn) RS485 數(shù)據(jù)總線，壓力監(jiān)測站主要用于采集支架工作阻力及最大工作阻力，并及時、準(zhǔn)確地將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至本安型分站。本安型分站利用控制巡測下位壓力的方式實現(xiàn)對各測站的監(jiān)測，進(jìn)一步將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測主站。綜采支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)供電設(shè)備采用KDW28-18型或KDW660/18B型隔爆兼本安電源。1臺電源承載本安型分站和壓力監(jiān)測站的數(shù)量分別為1臺和12臺，一旦超出需要增加供電電源保證正常供電。

3 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

3.1 采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

73904工作面采空區(qū)頂板管理采用自然垮落法。近距離煤層回采結(jié)束后能夠使基本頂觸矸時間提前，改變以往支架上覆巖層的受力情況[1-2]. 由于垮落步距縮短較快切斷了基本頂?shù)膽?yīng)力傳遞途徑，應(yīng)力集中將反復(fù)在支架和實體煤中呈現(xiàn)，因此，支架的受力情況將會加強，具體表現(xiàn)為支架壓力的短期反復(fù)升高降低和周期來壓變得更明顯更短。同時，近距離煤層回采期間的影響也是有一定范圍，影響范圍外的巷道頂板相比較于其他煤層并無區(qū)別。采場主要劃分為3個礦壓區(qū)域：工作面影響區(qū)、靠近側(cè)煤柱影響區(qū)和巷道未影響區(qū)。采場應(yīng)力分布云圖見圖2，液壓支架載荷曲線變化見圖3.

圖2 工作面應(yīng)力分布云圖

分析圖2，圖3可得出,回采期間工作面采動后所傳導(dǎo)壓力對巷道影響區(qū)范圍在15.5～19.8 m，且巷道受動壓主要影響區(qū)域為下半部巷道。近距離、非近距離對采場礦壓規(guī)律的影響見表1，2.

表1 非近距離煤層對采場礦壓規(guī)律的影響表

表2 近距離煤層對采場礦壓規(guī)律的影響表

由表1，2可知，與非近距離3#煤層影響相比，本工作面液壓支架最大壓力增加了7.3 MPa；平均壓力增加了3.5 MPa；周期來壓步距減少了6.5 m. 工作面影響區(qū)與巷道未影響區(qū)液壓支架工作阻力及周期來壓步距相差不大。周期來壓步距的減少表明在近距離回采的影響下，工作面端頭直接頂垮落高度小且塊度大(碎脹系數(shù)小)，采空區(qū)在充填效果上的表現(xiàn)較差，采空區(qū)無法被碎脹的矸石完全填充，因而為基本頂回轉(zhuǎn)留有一定的空間，這就導(dǎo)致了回轉(zhuǎn)變形嚴(yán)重，導(dǎo)致斷裂現(xiàn)象的發(fā)生，減小了斷裂的步距。

基本頂斷裂步距減小，但支架工作阻力增大，表明在近距離煤層回采的影響下，直接頂破斷垮落后，形成碎漲的矸石，一般情況下，這些矸石的量與采空區(qū)的實際需求量存在一定的距離，因此無法達(dá)到填滿的要求，為基本頂回轉(zhuǎn)的發(fā)生留有一定的空間，因而會產(chǎn)生較大的變形，進(jìn)而對工作面及兩巷直接頂產(chǎn)生的壓力也較大。

3.2 頂板離層變化規(guī)律分析

頂板離層監(jiān)測布設(shè)23個頂板離層監(jiān)測點，其位置見表3，其中選用具有代表性的3#、7#和9#錨索應(yīng)力計的錨索應(yīng)力值，變化曲線見圖4.

根據(jù)圖4曲線能夠分析出頂板離層值及頂板最大離層值變化情況，見表4.

由圖4和表4可知：

1) 超前支撐壓力對于工作面的頂板離層影響顯著，一般情況下，影響范圍處于23.8～15.3 m，平均19.8 m.

2) 由3#、7#和9#監(jiān)測點的曲線變化趨勢可知，工作面回采時，頂板離層值距工作面距離越近離層值越大。

圖3 工作面液壓支架載荷監(jiān)測曲線圖

表3 頂板離層儀安裝位置表

圖4 回采期間頂板離層值變化圖

3) 3個應(yīng)力監(jiān)測點的深基點最大值為98.4 mm，平均為87.5 mm；淺基點最大值為55.1 mm，平均為47.2 mm.

4 結(jié) 論

通過對近距離煤層綜采工作面安設(shè)的頂板在線監(jiān)測設(shè)備和巷道內(nèi)監(jiān)測設(shè)施的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探索回采過程中采動壓力對巷道內(nèi)支護(hù)超前影響范圍，與巷道變形、錨桿受力等存在的關(guān)系，掌握了近距離煤層在回采期間圍巖應(yīng)力在不同條件下的分布狀況和顯現(xiàn)規(guī)律。

表4 頂板離層值變化及最大離層值表

1) 3號煤層回采過程中采動壓力對巷道影響區(qū)范圍在15.5～19.8 m，且巷道受動壓主要影響區(qū)域為下半部巷道，在進(jìn)行相似條件3號煤層設(shè)計時頂板支護(hù)采取注漿錨(桿)索等補強，提高頂板承載能力。

2) 工作面采動壓力對巷道內(nèi)的頂板離層影響顯著，一般情況下，影響范圍處于23.8～15.3 m，平均19.8 m，因此超前支護(hù)距離打設(shè)不少于20 m.

3) 工作面回采時，頂板離層值距工作面距離越近離層值越大，要加快回采推進(jìn)速度，縮小巷道內(nèi)超前支護(hù)排距，有效控制采動壓力延伸，保證作業(yè)安全。