石圪台煤矿2－2上301工作面矿压观测数据分析

尹时雨

(中国石化长城能源化工有限公司煤矿安全管理处，北京 100020)

0 引言

采煤工作面是煤矿顶板事故的易发地，在顶板事故中约占70%。统计资料表明［1-3］，顶板事故约占煤矿事故40%～50%。顶板事故与矿山压力、瓦斯突出、突水、冲击矿压等密切关系［4］。为此，探寻矿山压力规律研究岩层移动对预防顶板事故意义重大。

20世纪80年代，学者霍勃尔瓦依特就浅部长壁开采的矿压现象展开观测研究［5］。目前在国外学者的研究中，普遍认为如果在浅埋煤层开采过程中出现了顶板破断现象，会对地表产生一定的影响，同时造成顶板破断角变大，地表下沉速度加快，来压明显且难以控制等现象［6］。1999年，侯忠杰教授在关键层理论的基础之上结合“组合关键层”判据就顶板控制相关理论进行了深入研究［7-9］。由于研究时间的滞后性，浅埋煤层长壁开采中工作面顶板矿山压力与岩层控制在其他地质条件下并不能完全适用，如采煤工作面沿煤层倾斜布置走向推进过程中，矿山压力显现明显，就需要对该煤层赋存条件重新研究讨论，总结更加适应的矿压规律。因此，文中对于动载矿压显现剧烈、压架事故频发矿井的回采工作面巷道支护理论开展初步研究，通过采集数据、使用Matlab软件对数据进行图像处理从而得出矿山压力显现规律并提出可行性建议。

1 工作面概况

1．1 工作面位置及煤层赋存

石圪台煤矿位于神东矿区北部，东西长约10 km，南北宽约8 km。井田含煤岩系为下中侏罗纪，可采煤层有8层。其中22301综采工作面位于2－2上煤三盘区，处于 2－2上煤与 2－2煤复合区，局部起伏较大。工作面1～25架上覆12304综采工作面采空区，26～33架上覆12304综采工作面顺槽保护煤柱，机头区域1－2煤与2－2上煤的层间距厚度为14.23～19．95 m，靠近回撤通道区域最薄、切眼侧厚，靠近切眼侧上部存在1－2煤火烧边界，回风侧上部存在1－2上煤火烧边界。

2－2上煤厚为0．8 ～2．4 m，平均煤厚为1．6 m，倾角1°～3°，整体呈负坡回采，局部有波状起伏。根据巷道素描揭露整个工作面受到不同程度的冲刷构造影响，最薄煤厚为0．8 m，属于较稳定煤层。

2－2上煤301工作面推进长度544 m，宽度300 m，设计采高2．0 m，工作面采用7LS1A/LWS632型采煤机，采高范围1 500～3 300 mm，滚筒直径1 500 mm，滚筒截深865 mm，地质储量为33．42万 t，可采储量为31．75 万 t，见表1。

表1 2－2上301综采工作面煤层赋存特征表

1．2 工作面水文地质条件

2－2上301 工作面上覆基岩厚19．1 ～52．32 m，靠回风顺槽一侧最薄;松散层19．17～58．1 m，回风顺槽侧较厚;2－2上301工作面上部有12304采空区，2－2上煤与 1－2煤层间距为 14．23 ～19．95 m，靠近回撤通道最薄、切眼侧厚;煤厚靠近切眼侧较厚;靠近切眼侧上部存在1－2煤火烧边界，共施工探放水孔61个，累计泄水量9．7万m3，预计在回采过程中，上部会有少量积水，工作面淋水连续5架且水量超过60 m3/h或正常涌水量持续大于150 m3/h，超前工作面探放水孔出现异常涌水时，停止生产，建议工作面按600 m3/h的排水能力设防，做好防排水工作。

工作面涌水主要来源于顶板裂隙水和上层煤采空区积水，预计正常涌水量150 m3/h，最大涌水量300 m3/h。

2 矿压观测及分析

2．1 矿压观测内容

综采工作面的矿压观测研究的内容主要有:支架工作阻力观测、支架活柱伸缩量观测、巷道围岩变形观测、巷道围岩表面位移量观测、顺槽超前支护范围内单体液压支柱的阻力观测，以及支护质量的动态监测。

根据观测结果对工作面顶板及顶板活动规律、来压特征，工作面支架受力特点，支架对顶板的适应性和控制效果，超前支撑压力影响范围和分布特点，顶板、煤层稳定性，工作面支护质量等进行分析，并进一步了解煤、岩体力学参数等基础数据［10］。

2．2 观测方法及步骤

支架阻力观测:人员现场采集记录，从机头10架开始每10架选取一个观测点，每割一刀煤记录一组数据;记录以实际割煤刀数为准，加甩刀时加甩刀距离在60架以内的不采集数据，加甩刀距离超过60架的按整刀记录;记录时须待压力稳定后记录，指定支架压力异常时参照相邻支架。

采场顶底板移近量观测:首先应选好观测地点，由于采场是随工作面推进运动，且采场宽度较小，所以测点的存在时间很短，一般从靠近煤壁设置测点起，测至靠近采空区测点报废止，只有几天时间，且受干扰影响极大。选好测点后，要分别在顶底板上固定基点，然后用ADL-2．5型测杆人工测量，每隔2～4 h或移架前后各测读一次，做好记录，后续做整理分析。

单体摩擦支柱支护阻力观测测力计:单体摩擦支柱支护阻力可用ADJ-45和ADJ-50型机械测力计测定。机械式测力计俗称压力盒，其基本原理就是通过变形来反映受力大小，如图1、图2所示。

图1 单体摩擦支柱支护阻力

图2 测力计待定特性曲线

3 来压统计及顶板来压分析

据统计从工作面剩余270～48 m，共计来压27次，见表2、表3。

3．1 初次来压

直接顶垮落情况:2015年5月31日早班，2－2上301综采工作面推进4 m后对切眼范围内顶板进行强制放顶爆破工作，采空区顶板局部垮落。工作面机头推进至31．4 m，机尾推进至31．9 m时，采空区直接顶基本全部垮落，采空区充填不完全，工作面支架压力不大，垮落情况良好。

表2 来压统计情况

表3 来压统计(去掉加甩刀频繁区域和空巷区域)情况

初次来压情况:6月9日中班，机头推进到36．9 m，当机尾推进38．2 m时，工作面40～80架来压，压力值在360～420 bar，此范围安全阀开启率为60%，活柱下缩量最大300 mm，持续3刀后压力值减小。6月9日夜班，机头推进33 m，机尾推进34．3 m时，工作面10～100架范围内个别支架有压力显现，压力值为300～360 bar，个别支架最大压力显现为380 bar。推进2刀后压力值减小，工作面推进过程中局部煤壁出现片帮、炸帮现象，片帮厚度约100 mm，对应地表无裂隙。6月10日上午10点据地表观测，工作面上部地表出现裂隙，裂隙宽度0．1～1 cm，最远裂隙超前工作面24．29 m。此后工作面推进过程中，支架压力260～350 bar，局部煤壁有片帮和炸帮现象，片帮厚度100 mm左右，如图3所示。6月10日夜班，机头推进41．6 m，机尾推进42 m，工作面100～150架来压，压力值在350～430 bar，局部片帮深度达1 000 mm，活柱下缩量最大达到400 mm，此范围安全阀开启率达到70%，压力持续3刀。本工作面初次来压步距机头36．9+7．5=44．4 m，机尾42+7．5=49．5 m，平均为47 m。主运输槽、辅运输槽及回风巷没有异常压力显现。

图3 6月10日地表裂隙图

3．2 来压特点及矿压

工作面正常回采:工作面正常回采期间采高2.1～2．2 m，回采期间来压时压力值在360～420 bar之间，个别支架达到430 bar，压力持续3～4刀;工作面无压时支架压力为260～350 bar，无压段持续5～7刀，来压步距8～11刀。

末采期间:第17～27次来压期间工作面频繁加甩刀调整工作面安全出口、中部滞后和过空巷，除去这11次来压，来压步距平均11．1刀，来压持续平均约4．4刀，无压段平均为6．7刀。来压期间压力范围为360～420 bar，工作面压力显现不明显，个别支架压力能达到447 bar;无压段压力范围为252～340 bar。

挂网期间:贯通前倒数第二次周期来压位置为距贯通9．7～8．9 m位置，来压范围在20#～120#支架间，压力值为38～435 bar，来压较之前强烈，工作面贯通期间整个工作面漏矸严重，漏矸厚度达到300～800 mm。贯通最后一次来压位置为2．8～1．2 m之间，压力持续割煤三刀后消失。联网期间工作面未出现来压征兆，扫底、挑梁后支架压力值稳定在380 bar以下。

插值拟合:通过使用Matlab数学软件分别对割1、2、361、362刀次所采集到的各支架测点工作阻力数据进行插值拟合，如图4所示。除此之外，170台支架共17个观测点，作出各个观测点随工作面推进长度的增加支架工作阻力不断发生变化的总体效果图，如图5所示，从图像上分析大致得到拟合不同阶的方程表达式，为研究矿山压力显现规律提供理论依据。

起始布好的支架测点在起初刀次进刀过程中，随着推进长度的增加，顶板压力变化从0缓慢增至峰值后，压力在小范围上下波动约10组测点，最终压力逐渐减小;末端的支架测点在末刀次进刀过程中，随着推进长度的增加，顶板压力变化从最小值迅速增至最大值，矿山压力显现明显，在推进中经历增压减压循环数次，大约16 m后压力大小趋于稳定，此时易于对顶板采取控制与维护。

将2－2上301工作面全部刀次在170台支架测点上记录数据，根据记录的数据通过采用Matlab数据可视化功能以将矩阵用图形表现方法处理得到图5所示的图形效果。从图5结果表明，根据数据分布规律拟合出3次样条插值以及高阶多元非线性回归方程，得到此工作面矿山压力作用在支架上的显现规律，其呈现出先增大后减小反复数次循环后大致趋于稳定，表现出了周期来压的步距大约为20 m，支架所受压力数值维持在250～350 MPa，压力达到350 MPa以上，矿山压力显现明显，对工作面会造成一定影响，使得顶板支护也较困难，所以需要掌握此规律总结的初次来压步距以及周期来压步距之后提前做好顶板控制维护工作，防止由矿压所导致的井下灾害发生。

4 结论

(1)工作面来压时，支架压力显现较为明显，持续时间短，主运顺槽、回风顺槽来压显现不明显，有片帮、炸帮、活柱下缩、漏矸等现象。片帮、炸帮厚度200～300 mm，活柱下缩100～200 mm，漏矸高度在200～500 mm，来压时工作面支架安全阀开启率为5% ～10%。

(2)挂网期间，工作面处于无压段。周期来压时支架压力显现更加明显，顶板出现的片帮、漏顶高度为200～400 mm，采煤机在割煤1刀后压力基本消失，工作面压力值为280～320 bar，来压影响范围大。

图4 不同刀次对应的各支架测点工作阻力变化情况图

图5 22上301工作面全部刀次170台支架测点随推进长度支架工作阻力变化

(3)回采工作面的矿山压力大致趋势是先逐渐增大至最大峰值点后，支架阻力逐渐减小，即随着岩层裂隙发育程度、裂隙度，煤层厚度、硬度、裂隙度以及地质构造的不同将会达到二次峰值点或持续减小，循环数次，矿山压力在支架前端即第三组测点前总会逐渐增大至拟合曲线的最大值，而在支架末端即第15个测点后逐渐减小甚至减小至拟合曲线的最小值。