布爾臺(tái)煤礦綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

郝萬東

(中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

隨著我國煤機(jī)裝備的不斷發(fā)展，煤礦開采效率和強(qiáng)度不斷加大，了解和掌握工作面的礦壓顯現(xiàn)特性對(duì)于實(shí)現(xiàn)工作面的安全高效開采至關(guān)重要[1-8]。二十年來，我國放頂煤開采理論與實(shí)踐研究取得了一些較有意義的成果，如周期來壓不明顯，頂煤對(duì)支架的合力作用點(diǎn)前移，支架荷載低于分層開采荷載等[9-13]。在以神東特大型煤炭基地為典型代表的開采強(qiáng)度大的厚/特厚煤層開采過程中，巷道在掘進(jìn)、開采期間的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和巷道圍巖應(yīng)力分布復(fù)雜，采場的圍巖運(yùn)移規(guī)律有其自身的特點(diǎn)，特別是巷道圍巖超前支護(hù)段變形破壞更加復(fù)雜化，一旦控制不當(dāng)，將對(duì)礦井正常生產(chǎn)、采掘接替、甚至井下人員安全等造成嚴(yán)重影響[14-18]。為此，本文以布爾臺(tái)煤礦放頂煤工作面為背景，通過現(xiàn)場實(shí)測，研究該條件下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和圍巖控制，以期為該條件下的高產(chǎn)高效礦井礦壓事故監(jiān)測預(yù)警提供借鑒參考。

1 工程概況

布爾臺(tái)煤礦42204綜放工作面布置在42煤二盤區(qū)，地面標(biāo)高1252.2～1349.3m，底板標(biāo)高911.12～ 930.82m，工作面推進(jìn)長度4485.2m，工作面長度320m。工作面煤厚3.1～7.0m，平均6.2m，煤層傾角1°～ 5°。

42204綜放工作面煤層上覆松散層厚度1～35m，基巖厚度299.6～412.2m，頂?shù)装鍘r層特征如圖1所示。最大涌水量預(yù)計(jì)為163m3/h。煤層火焰長度150mm，具有爆炸危險(xiǎn)性，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量最大為3.72m3/min，屬于低瓦斯礦井。煤層為I類易自燃煤層，最短自然發(fā)火期為37d。

圖1 工作面頂?shù)装鍘r層特征

42204綜放工作面共布置三條工作面巷道，其中，42204主運(yùn)巷裝備可伸縮帶式輸送機(jī)運(yùn)輸煤炭，同時(shí)作為人員通道；42204、42205輔運(yùn)巷作為工作面設(shè)備及材料的運(yùn)輸通道。工作面主運(yùn)巷為矩形斷面，斷面凈寬6m，凈高3.6m，凈斷面積21.6m2，采用“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+鋼帶”支護(hù)。在掘進(jìn)后、回采前對(duì)主運(yùn)巷進(jìn)行一次性補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。應(yīng)力集中區(qū)域等前后10m范圍內(nèi)嚴(yán)格執(zhí)行單體支護(hù)，其他區(qū)域取消單體支護(hù)。工作面輔運(yùn)巷為矩形斷面，采用“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+鋼帶”支護(hù)，斷面凈寬5.4m，凈高3.6m，凈斷面積19.44m2。42204輔運(yùn)巷超前支護(hù)采用5組ZQL2×22500/22/40D型超前支架進(jìn)行支護(hù)。ZQL2×22500/22/40D型超前支架頂梁長度7400mm，支架兩側(cè)最小中心距0.8m，最大1.5m，可通過防倒油缸進(jìn)行調(diào)整。

工作面中部支架選用94臺(tái)鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)生產(chǎn)的ZFY18000/25/39D雙柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架，53臺(tái)中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司生產(chǎn)的ZFY21000/25/40D雙柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架。另外機(jī)頭組合支架1臺(tái)、機(jī)頭端頭支架4臺(tái)、機(jī)頭過渡支架1臺(tái)，機(jī)尾端頭支架5臺(tái)、機(jī)尾過渡支架1臺(tái)。

工作面沿煤層走向推進(jìn)，沿煤層底板回采，采煤機(jī)割煤高度為3.7m，放頂煤高度為2.5m，采放比1∶0.68，采用單輪順序放煤方式，循環(huán)作業(yè)方式為“一采一放”，完成一個(gè)循環(huán)，放煤步距865mm。采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤采煤方法開采，全部垮落法管理頂板。

2 巷道位移監(jiān)測

在42204工作面主運(yùn)巷和輔運(yùn)巷自切眼起每隔50m布置一個(gè)巷道位移測點(diǎn)對(duì)巷道圍巖表面位移量進(jìn)行觀測；在聯(lián)巷中布置頂板離層儀對(duì)頂板離層情況進(jìn)行觀測。

2.1 巷道圍巖表面位移監(jiān)測

巷道圍巖表面位移記錄顯示，自2021年9月27日初采至2021年11月9日，工作面共推進(jìn)433m，期間主運(yùn)巷副幫出現(xiàn)幫鼓，輔運(yùn)巷頂板、正幫及副幫觀測到位移變化。

1)頂板下沉量方面：輔運(yùn)巷由6號(hào)測點(diǎn)(距切眼300m)10月29日首次觀測到頂板下沉，下沉量為100mm。至11月2日，累計(jì)下沉量為100mm；11月3日，由10號(hào)測點(diǎn)(距切眼400m)觀測到頂板下沉量為100mm。11月8日，頂板下沉量增至130mm。至11月9日，累計(jì)下沉量130mm。位移量變化如圖2所示。

圖2 輔運(yùn)巷頂板下沉量變化

2)正幫幫鼓量方面：10月29日，輔運(yùn)巷由6號(hào)測點(diǎn)(距切眼300m)首次觀測到正幫幫鼓，幫鼓量為150mm。至11月2日，累計(jì)幫鼓量150mm。11月3日，由10號(hào)測點(diǎn)(距切眼400m)觀測到正幫幫鼓量為150mm。至11月9日，累計(jì)幫鼓量150mm。正常幫鼓量變化如圖3所示。

圖3 輔運(yùn)巷正幫幫鼓量變化

3)副幫幫鼓量方面：11月5日，主運(yùn)巷由7號(hào)測點(diǎn)(距切眼350m)首次觀測到副幫幫鼓，幫鼓量為60mm。至11月9日，累計(jì)幫鼓量60mm。11月8日，輔運(yùn)巷由10號(hào)測點(diǎn)(距切眼400m)首次觀測到副幫幫鼓，幫鼓量為100mm。至11月9日，累計(jì)幫鼓量100mm。副幫幫鼓量變化如圖4所示。

圖4 主運(yùn)巷、輔運(yùn)巷副幫幫鼓量變化

2.2 頂板離層監(jiān)測

42204工作面自2021年9月27日初采至2021年11月9日，僅在10月7日主運(yùn)巷35聯(lián)巷頂板離層儀觀測到頂板離層，深孔離層量為5mm，淺孔離層量為0mm。10月7日至10月25日，離層量未進(jìn)一步增長。10月26日至11月9日，未觀測到頂板離層現(xiàn)象。頂板離層量變化如圖5所示。

圖5 頂板離層量變化

3 圍巖應(yīng)力觀測

在42203綜放工作面巷道布置圍巖應(yīng)力監(jiān)測區(qū)域，每個(gè)測區(qū)布置5個(gè)數(shù)顯鉆孔應(yīng)力計(jì)，間距1m，安裝深度分別為5m，10m，15m，20m，25m，用于監(jiān)測工作面回采過程中超前支承壓力動(dòng)態(tài)形成過程及分布規(guī)律。

231#、232#應(yīng)力計(jì)距離切眼145m，距離工作面75m。該組應(yīng)力計(jì)于10月17日拆除。10月6日至10月11日期間，231#淺孔應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值未發(fā)生變化，10月11日至10月12日，受超前支承壓力影響，該應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值由5.6MPa增至5.8MPa；10月13日，隨工作面推進(jìn)，該鉆孔應(yīng)力計(jì)距工作面39.6m，10月13日至10月17日，受超前支承壓力影響，該應(yīng)力值由5.8MPa增至6.5MPa。10月6日至10月12日期間，232#深孔應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值由3.7MPa降低至2.9MPa，累計(jì)降低0.8MPa；10月12日至10月14日，應(yīng)力值未發(fā)生變化；10月14至10月17日，應(yīng)力值由2.9MPa增至3.4MPa，累計(jì)增加0.5MPa。應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值變化如圖6所示。

233#、234#應(yīng)力計(jì)距離切眼195m，距離工作面125m。10月6日至10月8日，233#淺孔應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值由5.1MPa降低至4.9MPa，10月8日至10月10日該應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值未發(fā)生變化；10月10日至11日應(yīng)力值由4.9MPa降低至4.8MPa；10月13日至10月17日，應(yīng)力值未發(fā)生變化；10月17日至10月19日，隨工作面推進(jìn)，該鉆孔應(yīng)力計(jì)距工作面51m，應(yīng)力值由4.8MPa增至4.9MPa。10月6日至10月10日，234#深孔應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值由6MPa降低至5.8MPa；10月10日至10月12日，應(yīng)力值未發(fā)生變化；10月12日至10月13日，應(yīng)力值由5.8MPa降低至5.7MPa；10月13日至10月18日應(yīng)力值未發(fā)生變化；10月18日至10月19日，隨工作面推進(jìn)，該鉆孔應(yīng)力計(jì)距工作面51m，應(yīng)力值由5.7MPa增至5.8MPa。應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值變化如圖6所示。

圖6 鉆孔應(yīng)力變化曲線

根據(jù)10月6日至10月19日該組應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值變化情況，分析應(yīng)力計(jì)在距離煤壁40m的位置開始進(jìn)入高于原巖應(yīng)力區(qū)域。

10月20日至10月26日，233#淺孔應(yīng)力計(jì)受超前支承壓力影響，該應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值由5MPa增加至6.3MPa。234#深孔應(yīng)力計(jì)損壞。根據(jù)10月20日至10月26日該組應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值變化情況，分析可得應(yīng)力計(jì)在距離煤壁40m的位置開始進(jìn)入高于原巖應(yīng)力區(qū)域。

235#，236#應(yīng)力計(jì)距離切眼距離為250m，10月24日該組應(yīng)力計(jì)距離工作面73m，10月26日該組應(yīng)力計(jì)距離工作面53m。10月20日至10月24日，235#淺孔應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值未發(fā)生變化，為3.9MPa；10月24日至10月25日，應(yīng)力值由3.9MPa增至4MPa。10月20日至10月25日，236#深孔應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值未發(fā)生變化，為5.1MPa；10月25日至10月26日，應(yīng)力值由5.1MPa降低至5MPa；應(yīng)力值變化如圖7所示。

圖7 鉆孔應(yīng)力變化曲線

根據(jù)10月20日至10月26日該組應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值變化情況，應(yīng)力計(jì)在距工作面75m左右開始受到超前支承壓力的影響。

237#，238#應(yīng)力計(jì)距離切眼距離為300m，11月5日該組應(yīng)力計(jì)距離工作面煤壁4.6m時(shí)被拆除。11月3日至11月5日期間，237#淺孔應(yīng)力計(jì)受超前支承壓力影響，應(yīng)力值由6.9MPa增至7.5MPa。10月3日至11月5日期間，238#深孔應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值由4.1MPa增加至5.7MPa。根據(jù)11月3日至11月5日該組應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值變化情況，分析應(yīng)力計(jì)在距離煤壁40m的位置開始進(jìn)入高于原巖應(yīng)力區(qū)域。

239#，240#應(yīng)力計(jì)距離切眼距離為350m，11月5日該組應(yīng)力計(jì)距工作面54.6m，11月6日該組應(yīng)力計(jì)距離工作面煤壁45.5m，11月9日距離工作面16.3m，已進(jìn)入機(jī)尾超前支架內(nèi)。11月3日至11月9日期間，239#淺孔應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值由5.2MPa增至7MPa。240#深孔應(yīng)力計(jì)11月3日至11月5日，應(yīng)力值未發(fā)生變化，為3.6MPa；11月5日至11月9日，應(yīng)力值由3.6MPa增加至4MPa。應(yīng)力值變化如圖8所示。

圖8 鉆孔應(yīng)力變化曲線

根據(jù)11月3日至11月5日該組應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值變化情況，分析應(yīng)力計(jì)在距離煤壁45m左右的位置開始進(jìn)入超前應(yīng)力峰值區(qū)域，應(yīng)力值增幅明顯，煤壁可能會(huì)出現(xiàn)幫鼓、片幫、甚至炸幫現(xiàn)象，須嚴(yán)格執(zhí)行超前錨桿索支護(hù)。

4 工作面來壓監(jiān)測

4.1 初次來壓監(jiān)測

10月8日9：50前后機(jī)頭1#—15#，10#—30#支架區(qū)域?qū)?yīng)采空區(qū)垮落，響聲較大，工作面揚(yáng)塵嚴(yán)重。晚上23：10左右48#—83#支架區(qū)域基本頂初次來壓，壓力最大51.6MPa，工作面片幫、炸幫嚴(yán)重，采空區(qū)有較大聲響。10月9日上午6：30前后46#—126#支架壓力較大，并逐漸向機(jī)尾方向延伸。10月10日機(jī)頭推進(jìn)至78.2m時(shí)工作面機(jī)頭基本頂初次來壓，采空區(qū)頂板大面積垮落造成工作面揚(yáng)塵嚴(yán)重，來壓持續(xù)長度5.8m；機(jī)尾推進(jìn)至83m時(shí)機(jī)尾采空區(qū)基本頂初次來壓，來壓持續(xù)長度5.2m。10月11日、12日、13日連續(xù)三天監(jiān)測工作面支架實(shí)時(shí)壓力，整體壓力較為平穩(wěn)，無明顯大面積來壓現(xiàn)象，推測42204綜放工作面基本頂初次來壓基本結(jié)束。

綜上，初次來壓步距為71.3m(機(jī)頭推進(jìn)至71.2m，機(jī)尾推進(jìn)至71.4m)，首先為40#—127#支架區(qū)域來壓，支架壓力在35～50.1MPa，機(jī)頭推進(jìn)至78.2m時(shí)機(jī)頭基本頂初次來壓，來壓持續(xù)長度5.8m，機(jī)尾推進(jìn)至83m時(shí)機(jī)尾基本頂來壓，來壓持續(xù)長度5.2m，工作面推進(jìn)至88.2m時(shí)(機(jī)頭推進(jìn)至87.1m，機(jī)尾推進(jìn)至89.3m)，初次來壓結(jié)束，來壓持續(xù)長度為16.9m。

4.2 周期來壓監(jiān)測

10月13日至10月19日，工作面共推進(jìn)49.9m，推進(jìn)至98.4m、109.5m、126.1m時(shí)來壓，平均來壓步距12m，平均來壓持續(xù)距離10.7m。其中，10月13日夜班工作推進(jìn)至98.4m時(shí)工作面來壓，工作面30#—125#支架來壓，來壓時(shí)支架最大壓力達(dá)到50MPa，立柱下沉量200mm左右，距上次來壓8.4m，來壓持續(xù)距離8m；10月15日中班工作面推進(jìn)至109.5m時(shí)來壓，周期來壓表現(xiàn)為1#—100#支架整體來壓，隨后壓力向機(jī)尾轉(zhuǎn)移，來壓時(shí)工作面片幫較嚴(yán)重，最大片幫量500mm，距上次來壓11.1m，來壓持續(xù)距離9.6m；10月17日夜班工作推進(jìn)至98.4m時(shí)工作面來壓，本次周期來壓強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間長，本周工作面周期來壓時(shí)支架壓力普遍達(dá)到45～48.5MPa，部分支架立柱安全閥開啟，工作面片幫嚴(yán)重，立柱下沉量100mm左右，由于機(jī)尾巷道留底煤，工作面為保證過渡段平緩，120#至機(jī)尾段頂煤較薄，一直見頂，及時(shí)超前拉架，未造成大面積漏矸，本次來壓距上次來壓16.6m，來壓持續(xù)距離14.4m。

10月19日至10月25日，工作面共推進(jìn)54.5m，工作面周期來壓3次，平均來壓步距17.5m，平均來壓持續(xù)距離7.5m。10月26日至11月2日工作面共有周期來壓5次，平均來壓步距13.54m，分別在工作面推進(jìn)至：200.1～215.6m、221.2～225.6m、229～235.5m、237.2～250.8m、259～266.2m時(shí)來壓。平均來壓持續(xù)長度9.44m。

4.3 頂板斷裂微震監(jiān)測

2021年10月6日至11月9日對(duì)42204工作面進(jìn)行頂板斷裂微震監(jiān)測。在42204工作面兩巷道內(nèi)布置檢波器，每個(gè)巷道布置20個(gè)淺孔檢波器測點(diǎn)，點(diǎn)距50m，孔深30m，10個(gè)深孔檢波器測點(diǎn)，孔深40m，每臺(tái)分站監(jiān)測6道。

以10月13日至10月19日微震事件為例進(jìn)行分析。這一周共監(jiān)測到有效微震事件110次，微震事件總能量1.7×105J，較上一周增加6.59×104J。微震事件主要分布在工作面后方121m至工作面前方391m范圍內(nèi)，其中單次最大能量發(fā)生在10月11日04：32，能量值為8.36×103J，微震事件分布如圖9所示。

圖9 42204綜放工作面微震事件分布

分析圖中測點(diǎn)可知，微震事件聚集在機(jī)頭、機(jī)尾附近，機(jī)尾方向微震事件較多，受42203工作面采空區(qū)影響，超前支承壓力及相鄰采空區(qū)側(cè)向支承壓力相互擾動(dòng)，造成微震大能量事件聚集在側(cè)向采空區(qū)煤柱附近，因此在輔運(yùn)巷進(jìn)行錨桿索支護(hù)，防止大能量事件發(fā)生造成煤體崩出傷人。另外，根據(jù)微震數(shù)據(jù)分析，工作面前方30m范圍微震事件較少，煤巖體塑性變形程度較高，回采時(shí)及時(shí)移架。微震能量與推進(jìn)速度呈一定的正相關(guān)性，微震頻次與能量也呈正相關(guān)性，頻次與進(jìn)尺大體也呈正向關(guān)系型。微震事件主要發(fā)生在42煤與22煤之間頂板，說明超前支承壓力和側(cè)向支承壓力的影響下，42煤上方頂板儲(chǔ)存的彈性勢能較大。

5 結(jié) 論

1)巷道表面位移方面，在開切眼推進(jìn)到測點(diǎn)時(shí)，輔運(yùn)巷頂板累計(jì)下沉量為100～130mm，正幫幫鼓量150mm，副幫幫鼓量累計(jì)100mm，頂板離層最大為5mm，巷道整體變形程度不大。

2)圍巖應(yīng)力方面，各應(yīng)力計(jì)在距離煤壁40m、45m、75m的位置進(jìn)入高于原巖應(yīng)力區(qū)域，須嚴(yán)格執(zhí)行超前錨桿索支護(hù)。

3)工作面液壓支架受力監(jiān)測方面，初次來壓步距為71.3m，來壓持續(xù)長度為16.9m。周期來壓平均步距為14.8m，來壓距離約為9m。

4)微震事件方面，微震事件多聚集在機(jī)頭和機(jī)尾附近，微震大能量事件聚集在側(cè)向采空區(qū)煤柱附近。工作面推進(jìn)速度越快，微震總能量越大；推進(jìn)速度越慢，微震總能量越??；推進(jìn)速度劇烈變化，微震總能量相應(yīng)增大；因此，保持工作面勻速開采，對(duì)工作面礦壓治理起著重要作用。