“两硬”围岩薄煤层工作面矿压显现规律实测研究

王宪勇

(山西晋神能源有限公司，山西　忻州　036500)

·试验研究·

“两硬”围岩薄煤层工作面矿压显现规律实测研究

王宪勇

(山西晋神能源有限公司，山西忻州036500)

摘要针对某矿13306薄煤层综采工作面的地质条件，采用超前单体支柱监测、煤体应力监测等技术，分析了该工作面采场支承压力分布规律特征，并结合该工作面矿压现场监测数据，对13306薄煤层工作面矿压显现规律进行了研究。研究结果表明， 13306薄煤层工作面基本顶初次来压步距为26.8 m，周期来压步距平均为17.8 m，动载系数普遍较小；超前支承压力峰值位置位于煤壁前方1～8 m处，来压强度较低，为类似条件工作面的安全高效回采提供了参考和指导。

关键词薄煤层；支承压力；矿压显现；超前支柱监测；煤体应力监测；现场实测

1工作面概况

某矿13306薄煤层工作面井上位置位于寺河村北600 m，井下位置东为九四盘区(东)大巷、西为已回采13303工作面、南为已回采13305工作面、北为13304工作面。上部3#煤为2307工作面及小煤窑破坏区。工作面地质结构简单，贯穿53#背斜轴部，整体为褶曲构造，构造附近伴生有一些小的断裂构造，煤岩层裂隙较发育；水文地质资料显示，该工作面不存在带压情况，预计最大涌水量5 m3/h，正常涌水量1.5 m3/h；工作面煤层平均厚度为1.15 m，煤层倾角2°~10°，平均为3°.工作面前半段长136 m，后半段长150 m，推进长度780.4 m.煤层的顶板和底板均由致密坚硬的砂岩和灰岩构成，其地质特征柱状图见图1.

图1　煤层顶底板综合柱状图

2采场支承压力分布规律分析

2.1　采场支承压力观测方案

采场超前支承压力和侧向支承压力是工作面巷道布置、采场及巷道围岩控制的依据。为掌握13306薄煤层工作面回采巷道支承压力分布情况，在13221、13221副巷分别超前30 m及50 m内，布置单体液压支柱，并配套安装矿用单体数字压力循环监测仪，测定单体支柱工作阻力变化情况，每隔2 m一组；煤体应力监测使用的ZYJ-25型钻孔应力计布置在133062巷超前工作面前方50 m、60 m处。布置分为10个测点，共安装10台钻孔应力计。设备布置简图见图2.

2.2　超前支承压力分布分析

2.2.1工作面超前单体支柱荷载分析

工作面超前单体支柱自动记录荷载变化，通过手持采集器采集数据。对监测到的数据进行整理分析，分析结果见图3.

图2　采场支承压力监测设备布置示意图

图3　单体柱载荷变化曲线图

由图3可以看出：1) 单体支柱压力表读数随距工作面距离不断减小而增大；工作面前方25~45 m，其压力值变化平缓，荷载为6~15 MPa；工作面前方25 m内，单体支柱荷载从15 MPa缓慢上升，单体柱载荷在工作面前方5 m处达到最大值，133061、133062巷分别为23.3 MPa和24.8 MPa.2) 受老顶周期来压影响，老顶悬梁以支架为支撑点，后方断裂后，集中应力向前传递。由观测数据可知，超前支承压力的影响范围主要集中在工作面前方45 m范围。

2.2.2超前应力监测分析

依据超前钻孔应力计读取的数据，整理分析结果见图4.

图4　超前钻孔应力变化曲线图

由图4可以看出，超前支承压力在工作面煤壁逐渐推进中的变化趋势。工作面前方煤体由远及近可划分为3个区域：原岩应力区、弹性区、塑性区。工作面支承压力超前影响范围为46 m，超前支承压力值峰值在工作面前方7 m处，其值为26.5 MPa；原岩应力以17.85 MPa计算，应力集中系数约为1.48.

2.3　侧向支承压力分布分析

利用线性插值法，对侧向钻孔支承压力进行分析，得出煤柱侧向超前支承压力曲线见图5.

图5　侧向支承压力分布曲线图

分析图5可知，受巷道开挖及采场支承压力影响，煤柱侧向支承压力可分为5个区域，即：0～7 m为煤体边缘卸载区；7～12 m为支承压力上升区；12～18 m为支承压力峰值区；18～28 m为支承压力下降区；28 m以外为原岩应力区。工作面侧向支承压力的影响范围为28 m，侧向支承压力值在工作面前方14 m处最大，工作面侧向支承压力峰值为24.8 MPa.

3工作面矿压监测数据分析

13306薄煤层工作面采用山东尤洛卡在线矿压监测设备进行矿压数据的采集(设备布置示意图见图6)，工作面共布置上部、中部、下部3个测区。该工作面共有支架100架，其中ZY4400/10/23型液压支架6架， ZY4000/09/19D型液压支架94架。最大控顶距为4 600 mm，最小控顶距为4 000 mm，端面距为400 mm.

3.1　工作面初次来压规律

据现场观测记录，工作面直接顶初次垮落从中部开始，工作面50#~70#支架见矸顶，直接顶大面积跨落，从工作面中部开始向两侧逐步垮落。工作面总进尺为机头7.2 m，机尾10.8 m，平均9 m，支架工作阻力普遍增大，部分支架出现压力增高又回落现象，同时，30#~90#支架出现顶板变软的现象，7#~60#、61#~90#、91#~99#支架顶板破碎，通过机尾架后观测采空区，证实为直接顶初次垮落，垮落程度不均，但以中下部垮落较多，范围较大，两端较少。直接顶垮落持续了4天，期间推进5 m，直接顶垮落过程中，中下部(机尾为下)支架增阻较明显，跨落后支架阻力回落，顶板破碎，其他支架有增阻，并出现顶板破碎现象。

3.2　工作面周期来压特征

工作面初次来压后，开始正常回采，依据砌体梁理论，老顶在覆岩载荷的作用下岩梁弯曲应力逐渐增大，回转下沉变形趋于显著，直至受载岩梁的拉应力大于老顶的抗拉强度时，就会经历“失稳-平衡”周期性变化过程。现依据矿压实际监测数据，分析寺河煤矿二号井IX4306薄煤层工作面的周期来压规律，其具体特征见表1.

表1　基本顶历次来压期间动载系数统计表

综合分析表1可以得出：

1) 支架末阻力最大值平均为3 192 kN，占额定工作阻力4 000 kN的80%，说明支架工作状态良好，选型合理。

2) 13306薄煤层工作面老顶周期来压步距平均17.8 m，其中工作面上部周期来压步距平均17.6 m，中部18.4 m，下部17.5 m.工作面两端头来压步距基本一致，中部稍大，整个工作面老顶周期来压基本同步。

3) 13306薄煤层工作面老顶周期来压动载系数平均1.26，动载系数偏低。因为工作面的顶底板较为坚硬，为方便作业，将采高调整为1.5～1.8 m，割取了部分直接顶，直接顶的完整性受到一定的破坏，随采随冒，没有出现大面积悬顶情况，支架受力不集中。其中工作面上部周期来压动载系数平均1.23，中部1.33，下部1.22.从整个工作面来看，老顶周期来压明显，但不强烈。

4结论

1) 13306薄煤层工作面顶底板为“两硬”条件，来压期间支承压力峰值区较常规工作面前移。 来压期间工作面采动影响范围为工作面煤壁前方0～35 m，超前支承压力峰值区为工作面煤壁前方1～9 m处，支承压力峰值区垂直应力值为27～35 MPa.侧向支承压力影响范围28 m，护巷煤柱留设30 m较为合理。

2) 13306薄煤层工作面初次来压布距为26.8 m，老顶周期来压步距平均17.8 m，来压期间动载系数平均1.26，动载系数偏低，总体表现为老顶周期来压明显但不强烈。

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Field Research on Mine Pressure Behavior of Roof and Floor Hard Thin Coal Seam Working Face

WANG Xianyong

AbstractAiming at the geological condition of a coal mine 13306 thin seam fully mechanized working face, adopts the technology of advanced single prop monitoring and coal stress monitoring, analyzes the distribution regularity characteristics of the working face stope abutment pressure. Combines with the field monitoring data of the working face rock pressure, studies on the mine pressure behavior of 13306 working face thin seam. The results show that the first weighting inter-val of main roof is 26.8 m, and the periodic weighting interval is 17.8 m, the dynamic load coefficient is less. Advanced abutment pressure peak value is located in front of coal wall 1 m to 8 m, the ground pressure strength is low. It can provide reference and guidance to similar conditions working face for safe and efficient mining.

Key wordsThin coal seam; Support pressure; Strata behaviors; Advanced pillar monitoring; Coal stress monitoring; Field measurement

中图分类号：TD326

文献标识码：B

文章编号：1672-0652(2015)08-0024-04

作者简介：王宪勇(1986—)，男，山西五台人，2013年毕业于大同大学，助理工程师，主要从事煤矿安全生产技术工作(E-mail)zsh0201@163.com

收稿日期：2015-06-05