济三矿综放面异常来压矿压实测研究

张 洋 陈本华

（兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿，山东 济宁 272169）

济宁三号煤矿坐落在济宁市郊区，美丽的微山湖畔。南有微山岛，北依济宁市，西邻微山湖，东望历史名城、旅游圣地曲阜、泰安。东连京沪铁路线，西通京九、京广两条铁路大动脉，南经大运直达江南苏杭，北靠327国道。地势平坦，地理位置优越，交通畅通，运输便利。矿井瞄准“中国第一，世界一流”目标，建设高产高效矿井，设计原煤年产800万t，最终达到1000万t。同时，利用矿井独特的地理优势，把济三煤矿建设成为一个集绿化、旅游、度假、观光为一体的，具有独特风格的工业园林区。

1 工作面生产和技术条件

123下09工作面位于十二采区西部，西邻八里铺东断层，东邻123下08工作面（未准备）,123下09工作面因冲刷无煤区而分为南、北两个块段：北段南以无煤区与123下09工作面（南）相隔，北至井田边界煤柱；南段设计停采线南距北区回风巷北帮100m，北以无煤区与123下09工作面（北）相隔。本工作面煤层分为两段：北段煤层厚度3.00～5.54m，平均厚度3.95m。南段煤层厚度0.6～6.5m，平均厚度4.47m。北段煤层基本顶中砂岩，厚度29.58～33.94m，浅灰色-灰白色，成份以石英为主，长石次之，粘土质胶结，无直接顶，直接底泥岩，厚度0.50～1.20m，基本底粉砂岩及粉细砂岩互层，厚度9.45～9.84m，粉砂岩：深灰色，块状，具水平层理，层面上有较多炭屑，易碎。 第一切眼共布置60组液压支架，支架为ZFG9000/22/38型液压支架，工作阻力为7083～7272kN，辅顺超前支护采用液压单体支柱配合1.0m一字梁沿巷道走向架设3路一字梁棚支护。胶顺超前支护采用一组ZT24500/18/35型支架和液压单体支柱配合3.8m“π”型钢一梁三柱支护。

2 工作面矿压显现经过

该工作面自2016年3月11日开始回采，推进14.5m后顶煤开始垮落，推进进尺辅顺33.5m、胶顺31.5m，支架工作阻力开始缓慢增阻，整架工作阻力在3860kN左右，机头区域有少量浅部1m左右顶板岩石垮落，推进进尺55m时，采空区顶板仍未垮落，出现大面积悬顶现象，推进速度的减缓，采空区悬顶面积约4912m2，工作面煤壁片帮深度均在500～1100mm左右，支架平均阻力在4878kN，工作面煤炮声响剧烈，支架立柱部分安全阀开启，至此工作面停止生产，采取在工作面内每隔5个支架打一个顶板深孔进行爆破强制放顶措施，工作面恢复生产后，推进8m采空区有一次压风现象。顶板大面积岩石冒落，有较大的煤炮声响，采空区顶板垮落紧随压风鼓出，巷道内煤尘弥漫，顶板不断有顶板震动声响，持续约10min。在18～21#支架前梁处出现少量淋水，面前方上覆岩层出现大的裂隙带，表明基本顶开始出现裂隙，在采取强制放顶措施后，上覆岩层的整体性被破坏，割煤后移架对顶板的扰动进一步加剧了顶板岩层的垮落速度。推进进尺辅顺69.5m，胶顺67.5m。15～48#支架压力积聚明显，压力较大，顶板开始大面积垮落，采空区顶板垮落时，形成两次大的压风现象，此后顶板垮落逐渐趋于稳定，工作面87%的顶板已全部垮落，来压期间矿压显现主要是：煤壁片帮量较大，片帮深度约300～500mm，工作面安全阀开启率为30%，支架整架平均阻力达5187.5kN，工作面平均推进进尺91.5m时压力明显减弱，矿压显现趋于正常，基本顶初次来压结束。基本顶初次来压平均步距为76.5m，动载系数1.13。

3 矿压观测数据统计分析

3.1 工作面初次来压期间压力显现特征一览表

表1 工作面初次来压期间压力显现特征一览表

矿压显现技术数据特征：

（1）顶煤初垮：工作面推出切眼后，顶煤从工作面两侧开始垮落，初次垮落步距为14.5m。

（2）基本顶初次来压：基本顶初次来压步距为76.5m，来压时煤壁片帮深度在500mm，支架增阻明显，来压期间整架平均阻力为4909kN/架，安全阀开启率达30%。

（3）基本顶悬顶距离达65.5m，来压期间工作面伴有多次压风现象。

3.2 工作面巷道围岩变形分析

辅顺巷道围岩变形测点布设：第1测点布置在距切眼20m，第2测点布置在距切眼40m，以此类推，每隔20m布置一个测点，共布置4个测站。采用“十字”布点法。分别观测巷道顶板下沉量、两帮位移量及变形速度。巷道围岩表面变形曲线图如图1所示。

图1 巷道围岩表面变形曲线图

从观测围岩变形总体情况来看，从图1可以看出，巷道围岩变形较小，工作面超前压力影响程度较弱，两帮最大变形量为45mm，顶板最大下沉量为8mm，顶板下沉速度最大5mm/d，两帮移近速度最大32mm/d，超前支承压力明显影响范围约为20m。巷道围岩初期变形较小原因主要是：工作面巷道均为实体煤巷道，受测压影响较小；工作面倾向距离较短，回采初期推进速度较快，基本顶运动所产生的动压小且被甩向后方采空区侧，所以工作面超前压力对巷道的影响范围较小，巷道两帮的变形量及顶板的完整性变化不大。

3.3 顶板动态监测数据分析

图2 顶板动态变化曲线图

在工作面辅顺超前段支设顶板动态仪2台，主要观测顶板下沉速度及判断顶板的初次断裂位置。通过对顶板动态曲线图2分析，顶板在超前支承压力的作用下，工作面顶板随距煤壁的远近呈线性下沉，距煤壁15m，顶板下沉速度2.4mm/d，距煤壁5m，顶板下沉速度2.9mm/d。累计下沉量5.3mm，速度变化与巷道围岩变形测点基本吻合。23日夜班1：29分顶板动态仪出现拐点，距煤壁13.5m，读数变小，此读数变化表明了工作面顶板出现断裂反弹现象，顶板断裂持续时间8h，随工作面的推进，23日早班8：20分顶板恢复，在工作面临近断裂线时基本顶出现加速下沉的现象（23日早班-24日夜班）。

3.4 微震监测数据分析

图3 微震监测次数与能量曲线图

工作面3月20日微震数据显示有能量非常大的事件，与现场跟班人员统计的采空区顶板第一次大面积垮落时造成压风现象基本吻合。表明基本顶仍然未断裂，这与顶板动态仪观测数据相一致，本次顶板垮落是采空区大面积悬顶时积聚的能量得到释放的显现，此后顶板的震动次数在22日较多，震动能量基本一致，这与基本顶断裂来压显现过程基本吻合。

4 采空区大面积悬顶原因分析

4.1 地质条件因素

（1）厚而坚硬的基本顶岩层加大了顶板弯曲垮落难度。由于基本顶岩层较厚，平均厚度31.25m，f=8～10。岩层硬、厚无薄弱面，顶板的整体及完整性较好。

（2）工作面四周不受采空区上覆岩层活动的影响，工作面内无断层构造。

4.2 生产技术因素

（1）工作面初采推进速度较快。推进速度9m/d，最快速度13m/d。

（2）工作面为短壁工作面，倾斜长度只有88m，故基本顶的初次垮落步距较长壁开采同等条件下要大。

（3）支架工作阻力在短壁综放工作面快速推进阶段变化不大，支架增阻时间较短，致使工作面整体压力变化不大，减少了上覆岩层的运动范围。顶板下沉范围和重量变小，基本顶运动时矿压显现影响明显减弱。这是由于超前支承压力在工作面的持续快速推进下，基本顶运动所产生的动压冲击被甩向工作面后方采空区侧，同时造成工作面采空区顶板大面积悬顶。

5 结语

（1）应加强工作面支架及两顺槽支护质量管理。支架初撑力必须达到规程要求，以提高工作面整体支护强度。加强支架对顶板的控制能力，有利于工作面顶板管理。

（2）控制好工作面推进速度，推进速度控制在5m/d以内，匀速推进，以加快采空区顶板的垮落速度。

（3）控制好采高，应避免出现工作面采高偏低或偏高现象，顶板破碎区域应采取措施加强支护。两顺槽采空区出现悬顶距离较大时，必须及时采取放顶措施。

（4）见方期间工作面高位岩层活动范围逐步扩大，届时工作面矿压显现将会增强，应加强工作面及两巷的支护质量与顶板管理。