李 楊 楊天鴻 劉洪磊 姚 飛

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院;2.深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.沈陽奧思特安全技術(shù)服務(wù)集團(tuán)有限公司)

隨著采礦工業(yè)和其他科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到礦山壓力具有一定的規(guī)律，只要認(rèn)真開展礦山壓力研究，掌握礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律，遵循礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律，就能為礦井開拓、巷道布置、井巷支護(hù)及頂板管理提供切實(shí)可行的安全技術(shù)措施［1］。對(duì)深井開采［2-4］、大采高開采［5-7］、三下“開采［8-9］、三軟”開采［10-12］等各種地質(zhì)條件下各種采煤方法的礦壓顯現(xiàn)和巖層控制都取得了突出的成果，為各類復(fù)雜條件下順利實(shí)現(xiàn)回采創(chuàng)造條件。但對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究較少，需要進(jìn)行更多深入的研究。

大安山煤礦現(xiàn)已進(jìn)入深部開采階段，井田內(nèi)的褶曲構(gòu)造是影響礦井采區(qū)劃分和采煤方法的最主要構(gòu)造因素。由于井田內(nèi)褶曲密度大，褶曲緊密且多為倒轉(zhuǎn)或緊閉倒轉(zhuǎn)褶曲，造成煤層以傾斜和急傾斜為主，煤層厚度變化大，賦存強(qiáng)烈不協(xié)調(diào)。受地質(zhì)條件、圍巖性質(zhì)、采掘工藝、支護(hù)方式等因素的影響，大安山礦區(qū)工作面和巷道都存在著不同程度的沖擊地壓現(xiàn)象，隨著開采量的增加，采掘深度也不斷增加，沖擊地壓發(fā)生的頻率就越來越高，危害程度也越來越大，已經(jīng)成為礦區(qū)進(jìn)行安全、高效生產(chǎn)的瓶頸之一。本研究揭示大安山煤礦工作面來壓規(guī)律，避免或減緩沖擊傾向，保障有沖擊傾向煤層安全開采，尋找出大安山煤礦沖擊地壓防治的理論依據(jù)，對(duì)大安山煤礦及類似具有復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的緩傾斜煤層礦井開采具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工作面概況

大安山煤礦位于北京西部山區(qū)，現(xiàn)礦井核定生產(chǎn)能力160萬 t/a。軸13槽東一面工作面位于+550 m西一至西二石門上部，東至百草臺(tái)倒轉(zhuǎn)向斜南軸，西至東一面下巷，上至+680 m西二西巷北石門大巷，下至中部軌道上山。煤層厚度2.2 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，賦存較穩(wěn)定;東一面工作面走向長(zhǎng)773 m，傾斜長(zhǎng)151 m，煤層傾角7°～28°，平均 16°，煤層頂?shù)装鍘r性特征見表1。

表1 煤層頂?shù)装逄卣?/p>

本區(qū)域位于軸部構(gòu)造部位，煤層的總體走向250°～280°，傾向340°～10°。傾角7°～28°，平均傾角16°。煤層頂板發(fā)育有小斷層及波浪起伏，跟據(jù)東一面現(xiàn)已揭露巷道情況來看，發(fā)育小斷層4處，在東一面切眼528#前17.6 m處，有一個(gè)正斷層，產(chǎn)狀330°∠45°，厚度1.0 m，在東一面上巷551#后5.5 m處有一正斷層，產(chǎn)狀 260°∠60°，厚度 0.5 m。在551#點(diǎn)后13.1 m 處有一正斷層，產(chǎn)狀275°∠65°，厚度0.2 m。在東一面上巷15#點(diǎn)前1 m處有一正斷層，產(chǎn)狀300°∠79°，厚度1.7 m。據(jù)東一面現(xiàn)已揭露巷道資料來看，東一面中部軌道上山到35#點(diǎn)后8 m前2 m范圍內(nèi)和東一面下巷49#點(diǎn)至55#點(diǎn)處，煤層變薄，分析推斷有1條不可采邊界，對(duì)本工作面回采有一定影響，在回采過程中加強(qiáng)斷層區(qū)域及破碎地帶的頂板管理。

2 礦壓觀測(cè)方法

通過對(duì)超前順槽以及工作面支柱工作阻力等方面的長(zhǎng)時(shí)系統(tǒng)觀測(cè)，對(duì)工作面頂板來壓進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)分析。通過監(jiān)測(cè)，可以摸清頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相對(duì)應(yīng)的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律，為進(jìn)行有效頂板控制和安全開采提供依據(jù)。工作面測(cè)區(qū)布置采用山東省尤洛卡自動(dòng)化儀表有限公司生產(chǎn)的KJ216煤礦頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。如圖1所示，自工作面下端頭往上第3部支架(4.5 m)開始，自下而上沿工作面每7部支架(10.5 m)設(shè)置1條監(jiān)測(cè)線，測(cè)線上下5.25 m為測(cè)區(qū);初采工作面141 m共計(jì)布置14條測(cè)線，共安設(shè)14臺(tái)綜采壓力監(jiān)測(cè)分機(jī)。隨工作面的延長(zhǎng)而增加測(cè)點(diǎn)。在工作面的上、下順槽，自順槽口開始每4.8 m設(shè)置一個(gè)壓尺點(diǎn)，以供量測(cè)工作面推進(jìn)距離之用;在工作面的上、下順槽超前支護(hù)內(nèi)從煤壁開始往外每隔4.8m，設(shè)1個(gè)測(cè)力支柱及頂?shù)装逡平鼫y(cè)點(diǎn)，用以監(jiān)測(cè)頂?shù)装逦灰魄闆r;上下順槽超前支護(hù)各設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)，控制范圍為24 m，測(cè)點(diǎn)隨回采依次回撤前移，上下順槽內(nèi)始終保持5個(gè)測(cè)點(diǎn)不變;在每個(gè)測(cè)點(diǎn)處安裝1臺(tái)礦用數(shù)字壓力計(jì)，共計(jì)安設(shè)10臺(tái)單柱壓力分機(jī)。

3 礦壓觀測(cè)結(jié)果分析

大安山煤礦采用傾斜長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，即雙滾筒采煤機(jī)落煤、裝煤，支撐掩護(hù)式液壓支架掩護(hù)頂板。每天分3班次開采，平均每班次開采1 m左右。選取2011年7月1日至9月25日工作面連續(xù)開采了200 m左右的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象，對(duì)大安山煤礦軸13槽東一面工作面礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行分析研究。

3.1 工作面支架載荷與頂板來壓步距

本研究依據(jù)下式作為老頂來壓的判別準(zhǔn)則［13］:

式中，PLY為判定老頂來壓的工作阻力，珔P為觀測(cè)期間全部支護(hù)阻力平均值，σP為支護(hù)阻力均方差。

以實(shí)測(cè)阻力平均值珔P加其1倍均方差σP為老頂來壓的判據(jù)PLY，見表2。

表2 工作面各測(cè)區(qū)來壓判據(jù)

以三測(cè)區(qū)、八測(cè)區(qū)和十一測(cè)區(qū)為例，根據(jù)表2判定歷次來壓的步距。

從圖2可以大致地確定老頂來壓性質(zhì)、位置和順序。

根據(jù)圖2的分析方法可以得到工作面各部位的來壓步距，如表3所示。

據(jù)觀測(cè)，正常階段，直接頂基本隨采隨冒，無懸頂。工作面上、下端部采空區(qū)頂板垮落不一致，呈現(xiàn)不對(duì)稱性。老頂?shù)钠骄醮蝸韷翰骄酁?2.67 m，平均周期來壓步距為22.12 m。工作面上、中、下部的初次來壓步距和周期來壓步距不盡相同。

工作面上部、中部、下部平均初次來壓步距分別為54.1、53.5、50 m。初次來壓中部較上部先來壓，但基本趨于同步，而下部步距比上部、中部都小，分析原因可能是由于煤層傾角以及頂板厚度不一致造成的。工作面上部、中部、下部平均周期來壓步距分別為21.74、21.35、23.68 m。周期來壓步距下部較上部有加大的趨勢(shì)，而中上部趨于同步。實(shí)測(cè)結(jié)果表明:老頂?shù)闹芷趤韷?，沿工作面方向并不是同時(shí)來壓，而是呈現(xiàn)局部來壓、遷移特征。從表3中可以看出，十三、十四測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)顯示老頂初次來壓和第一次周期來壓時(shí)間要明顯領(lǐng)先于其他測(cè)區(qū)，這是一種十分值得關(guān)注的特征。

圖2 工作面典型支架壓力變化曲線的來壓步距判定

表3 工作面平均來壓步距

3.2 工作面“支架－圍巖”關(guān)系研究

工作面上部、中部、下部的典型實(shí)測(cè)支架載荷分布直方圖如圖3所示。

圖3 工作面典型實(shí)測(cè)支架載荷分布直方圖

根據(jù)對(duì)支架壓力統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，工作面上的支架壓力大小明顯集中在20～30 MPa之間，但上部以21～25 MPa為主;中部支架壓力31～35 MPa范圍內(nèi)的比例較之上部顯著增加，21～25 MPa范圍內(nèi)的比例減小;下部和上部相似，21～25 MPa占到很大比例。通過支架載荷的分布，可知工作面不同位置周期來壓的表現(xiàn)具有較大的差異，相比較而言，工作面中部支架阻力要明顯大于上部和下部，工作面兩端的周期來壓顯現(xiàn)要弱于工作面中部。正常開采過程中，來壓時(shí)工作面中部壓力顯現(xiàn)較明顯，支架工作阻力接近于額定工作阻力，支架選型能滿足工作面的支護(hù)要求。

3.3 巷道礦壓觀測(cè)

工作面來壓時(shí)刻上、下順槽典型的支撐載荷壓力變化如圖4所示，可以確定工作面前方應(yīng)力增高的峰值及峰值點(diǎn)距工作面的距離，得到的結(jié)果見表4、表5。

圖4 上下順槽支撐載荷曲線峰值點(diǎn)的確定

表4 上順槽應(yīng)力增高峰值及峰值點(diǎn)距離

表5 下順槽應(yīng)力增高峰值及峰值點(diǎn)距離

從表4、表5中能夠得到上順槽工作面前方應(yīng)力增高的峰值20～37 MPa，峰值點(diǎn)距工作面8～16.2 m，平均峰值24 MPa，距工作面12.17 m;下順槽工作面前方應(yīng)力增高的峰值20～36 MPa，峰值點(diǎn)距工作面8～13.6 m，平均峰值23.57 MPa，距工作面9.46 m。上順槽和下順槽應(yīng)力增高峰值相差不大，但峰值點(diǎn)距工作面的距離下順槽較上順槽小3 m左右，相差較大。

4 結(jié)論

(1)工作面上部、中部、下部初次來壓步距分別為54.1、53.5、50 m;周期來壓步距分別為21.74、21.35、23.68 m。老頂?shù)钠骄醮蝸韷翰骄酁?2.67 m，平均周期來壓步距為22.12 m。

(2)工作面中部支架阻力要明顯大于上部和下部。

(3)來壓時(shí)刻，上下順槽工作面前方壓力增高的范圍分別是8～16.2 m和5.2～13.6 m，平均為12.17 m和9.46 m，壓力平均峰值分別為24 MPa和23.57 MPa。

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