紅柳煤礦I020201綜采工作面頂板運動規(guī)律分析

王建波

[摘 要]礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律是指導采煤工作面安全開采的重要依據(jù)，通過對紅柳煤礦I020201綜采工作面現(xiàn)場實測，掌握了來壓步距、來壓強度、支架載荷分布規(guī)律，煤壁片幫等礦壓顯現(xiàn)特點。為選擇合理的支護形式、進行正確的支護設計提供了科學依據(jù)，對礦井安全生產具有一定的指導作用。

[關鍵詞]綜采工作面；頂板運動規(guī)律；工作阻力；支護強度

中圖分類號：TD 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）11-0005-02

1、I020201工作面概況

I020201綜采工作面位于紅柳井田中部偏東，地面為沙丘覆蓋的自然地表，并有少量的植被，無建筑物。工作面南起11采區(qū)2煤回風巷，北至11采區(qū)2煤回風巷以北1498m，西距2煤輔運大巷100m，東距正在施工的I020201工作面運輸巷35m。

I020201綜采工作面為2層煤，煤層平均厚度5.28m，平均傾角8°30′，為確保安全生產，在初采初放期間，采高定為4.5m，初采初放結束后工作面采高為5.2m。工作面煤層頂板：偽頂為0.10m厚灰黑色，易脫落的炭質泥巖；直接頂為8.37m厚灰白色、灰色、細粒粉砂巖和粉砂巖泥巖組成的復合型頂板，穩(wěn)定性中等；老頂為19.59m厚灰白色、灰色、細粒粉砂巖和粉砂巖泥巖組成的復合型頂板，穩(wěn)定性中等；直接底為10.01m厚灰色，灰褐色，遇水變軟的粉砂巖；老底為灰色細粉砂巖，巖石細膩，膠結致密。

2、礦壓觀測方案

（1）綜采工作面工作阻力在線監(jiān)測

通過監(jiān)測支架的工作阻力，可以分析頂板對支架的作用強度，分析頂板的周期來壓規(guī)律，為工作面的安全高效生產提供決策依據(jù)。

（2）頂板離層報警在線監(jiān)測

用于回采巷道頂板動態(tài)監(jiān)測，主要監(jiān)測巷道圍巖和頂板的松動離層。常用的監(jiān)測方法是通過頂板離層傳感器監(jiān)測頂板內不同基點的相對位移量。

（3）錨桿錨索應力、鉆孔應力、巷道變形監(jiān)測

通過對錨網巷道錨桿或錨索的支護應力監(jiān)測，可以反映出錨桿的初始錨固力、錨桿受力的變化狀態(tài)和變化規(guī)律，分析回采巷道工作面推進過程外應力場作用對錨網巷道的影響以及評價錨網支護的效果。

3、I020201綜采工作面礦壓觀測數(shù)據(jù)分析

3.1 鉆孔應力計與錨桿應力監(jiān)測分析

（1）鉆孔應力計監(jiān)測分析

圖1所示，統(tǒng)計中的距離表示該應力計處于工作面推進方向煤壁前方煤體中到工作面煤壁的距離。圖1表明，鉆孔應力計從工作面前方60m左右開始增大，在工作面與應力計距離縮小到25.6m后穩(wěn)定在壓力最高值上，隨著距離進一步縮短以及進入到采空區(qū)之后支承壓力未再發(fā)生變化。

（2）錨桿受力監(jiān)測分析

錨桿受力工作面回采期間被動受力，受靜力影響時壓力為2.5kN，隨著工作面推采，受超前支承壓力影響，承受壓力逐漸增大，巷道完整區(qū)域最大可達18kN，破碎區(qū)域最大可達到22.5kN，所用錨桿受力各參數(shù)能夠滿足支護需要；只是在頂板破碎區(qū)域載荷較大，用棚子加強支護后，棚子存在鉆底、棚腿下陷等現(xiàn)象，對錨桿受力的回撤工作帶來了一定的困難。

3.2 I020201工作面支架工作阻力監(jiān)測與分析

綜采工作面自下而上共設三個觀測區(qū)，第四架、第六架為工作面下端觀測區(qū)，第164架和166架為工作面上端觀測區(qū)，工作面中部10、150架為中部觀測區(qū)，中部觀測區(qū)每隔10架安裝一組儀器，分別觀測支架前柱的工作阻力和支架后柱的工作阻力，觀測工作在2010年9月26日-1011年5月25日進行。工作面機巷推進9.3m，風巷6.5m，老空直接頂?shù)谝淮慰缏洳骄酁?.5m，跨落范圍80架-120架，10月9日工作面推進13m，直接頂跨落范圍為80架-157架，根據(jù)支架工作阻力曲線圖可以看出，工作面支架壓力主要集中在中部，且上部壓力大于下部，直接頂垮落主要在中上部，老空填充量比較理想，下部老空填充量不理想。2010年10月15日工作面100-157架頂板跨落，2010年10月19日工作面157-167頂板跨落，采空區(qū)跨落高度5-7m基本接頂。2010年10月28日55號架-115號架來壓，采空區(qū)充填充填密實。

（1）頂煤的初次垮落監(jiān)測

工作面初采期間，推進速度較慢，當工作面上巷推進6.5m，下巷推進9.3m，平均推進7.5m時，工作面沿傾斜方向2/3頂煤冒落，完成了頂煤的初次垮落，初垮步距7.2m。頂煤初垮時，在工作面上、下端頭頂煤冒落效果較差，隨工作面的繼續(xù)推進，這種現(xiàn)象逐步改變。頂煤初垮期間端面頂板完整，煤壁片幫及支架載荷較小，與頂煤初垮前相比礦壓顯現(xiàn)無明顯變化。

（2）老頂初次來壓期間支架工作阻力

工作面初次來壓時，下巷推進34.7米，上巷推進31.3米（按原點號），平均33.0時，加上切眼的寬度，此時，老頂懸垮40.5米（加切眼寬度7.5米），老頂巖梁斷裂下沉，采空區(qū)內頂煤及直接頂時有大面積垮落聲并不斷有大量風流從采空區(qū)內涌出，工作面支架載荷、活柱下縮量、煤壁片幫增大，安全閥開啟增多；支架工作阻力平均8613.5KN/架，最大9152.2KN/架，動載系數(shù)為1.4，活柱下縮量平均7.7mm/循環(huán)，最大25.8mm/循環(huán)，片幫值來壓期間最大700mm，平均288mm；安全閥開啟率平均7.7%，垮落的直接頂基本上能夠充滿采空區(qū)，老頂失穩(wěn)后，隨即觸矸，因此老頂來壓時對工作面影響不大。

（3）老頂周期來壓期間支架工作阻力

老頂初次垮落后，隨工作面推進會周期性出現(xiàn)來壓現(xiàn)象，共連續(xù)觀測到六次周期來壓，周期來壓步距平均19.3m。因為工作面來壓具有不同步性，因此工作面上、中、下部將不間斷的受周期壓力影響。周期來壓期間支架工作阻力平均7999KN/架，最大8502KN/架，動載系數(shù)為1.3。煤壁片幫值最大1000mm，平均240mm。第一次周壓期間，活柱下縮量平均8.4mm/循環(huán)，最大26mm/循環(huán)，安全閥開啟率14.3%。

（4）老頂來壓強度分析

工作面的來壓強度是利用動載系數(shù)------頂板來壓時的支架載荷與非頂板來壓時的支架載荷的比值作為衡量標準的。該面動載系數(shù)按循環(huán)末工作阻力計算，初次來壓時上部為1.4，中部為1.5，下部為1.3，周期來壓時上部平均為1.2，中部為1.3，下部為1.2，說明該面中部的來壓強度相對高于工作面上部和下部。

工作面支架平時工作阻力為6153KN，頂板初垮步距7.2米；老頂初次來壓步距平均40.5米，初次來壓動載系數(shù)為1.4，周期來壓步距平均19.6米，動載系數(shù)為1.3，工作面來壓沿傾斜方向呈現(xiàn)來壓不同步特性，因此工作面上、中、下部將不間斷的受周期壓力影響。

（5）支架適應性分析

1）初撐力（P0）分析

實測支架初撐力在觀測期間平均值為24.6MPa，支架設計初撐力32MPa，為該支架額定初撐力的78.2%。

隨工作面推進，每個循環(huán)內支架阻力的大小因支架操作質量、控頂效果及頂板動態(tài)變化的影響而不同。工作面支架初撐力（P0）頻率分布如表1所示。

由表1可知，25～27MPa的初撐力占51%，25～29MPa的占75.7%，從實測平均初撐力和分布特征來看，支架的初撐力比較高。支架初撐力變化不大，說明支架初撐狀態(tài)時整體受力均衡。

由于支架初撐力發(fā)揮的較好，工作面開采期間直接頂沒有出現(xiàn)離層現(xiàn)象，煤壁片幫很小且只在局部區(qū)域出現(xiàn)，沒有發(fā)生冒頂現(xiàn)象。初撐力對頂板起到了及時支護作用，控制住了頂板的早期離層，起到了及時護頂?shù)淖饔谩?/p>

2）工作阻力（Pm）分析

實測支架工作阻力在觀測期間平均值為33.71MPa，支架額定工作阻力為40MPa，為該支架額定工作阻力的84.3%。

據(jù)統(tǒng)計，34.0～36.0MPa工作阻力占50.3%，超過50%；工作阻力34.0MPa以上占80.0%以上。從實測平均工作阻力和分布特征來看，支架工作阻力大小及分布與支架額定工作阻力相比，其工作阻力的有效發(fā)揮程度較高。

3）支架工作阻力統(tǒng)計分析

對支架左右柱工作狀態(tài)進行統(tǒng)計分析：左柱：所有有效工作末阻力的數(shù)量為312個，平均值為33.71MPa；右柱：所有有效工作末阻力的數(shù)量為312個，平均值為31.5MPa；支架工作末阻力變化相對穩(wěn)定，說明支架整體受力均衡。

4、結論

（1）I020201工作面超前支承壓力影響范圍為45m左右，明顯影響范圍20m，工作面實際超前支護范圍為20m，支護參數(shù)達到了要求，在整個觀測期間未發(fā)生冒頂事故，沒有嚴重的片幫現(xiàn)象，證明超前支護能夠有效的控制開采對工作面巷道的影響。

（2）頂煤初垮步距7.2米；老頂初次來壓步距平均40.5米，動載系數(shù)為1.4；工作面來壓沿傾斜方向呈現(xiàn)不同步特性；周期來壓步距平均19米，動載系數(shù)為1.3，因工作面來壓具有不同步性，因此工作面上、中、下部將不間斷的受周期壓力影響。綜合分析礦壓觀測結果，確定液壓支架選取正確，1.03～1.06Mpa支護強度設計合理。

（3）工作面回采期間回采巷道錨桿被動受力，受靜力影響時壓力為2.5kN，隨著工作面推采，受超前支承壓力影響，巷道穩(wěn)定區(qū)錨桿最大受力可達18kN，所用錨桿受力各參數(shù)能夠滿足支護需要；破碎區(qū)域錨桿最大受力可達到22.5kN。

參考文獻

[1] 孔德森，張偉偉等.綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實測研究[J].煤，2008（1）

[2] 姜福興.礦山壓力與巖層控制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2004.