張 博，張 杰，陳 超，梁 軍

(西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安710054)

0 引 言

建北煤礦位于陜西省延安市黃陵建莊礦區(qū)的北部，地處延安市黃陵縣腰坪鄉(xiāng)境內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬黃陵縣腰坪鄉(xiāng)管轄。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力210 萬(wàn)t/年，目前開(kāi)采4-2煤層，4-2煤層賦存平緩，底板平緩，傾角為2° ～5°，首采工作面4-2101 工作面煤層厚度5 ～10 m，平均厚度7.6 m，沿走向方向，煤層底板呈高至低之勢(shì)，煤層厚度由薄變厚，標(biāo)高為827 ～920 m，煤層埋藏深度為473 ～570 m.屬低瓦斯礦井。黃陵礦區(qū)采后證明，綜放工作面支架能承載上覆巖層重量，但是這必須以選擇合理的綜合機(jī)械化設(shè)備及設(shè)備的良好運(yùn)轉(zhuǎn)為前提，否則并不能保證礦井安全和高產(chǎn)高效［1-3］。并且建北礦的煤層地質(zhì)條件、支護(hù)方式、采高等與其相鄰礦井都有比較大的差異，如果直接按照經(jīng)驗(yàn)套用相鄰礦井工作面的礦壓規(guī)律參數(shù)，有可能在安全方面存在很大隱患［4-6］。因此，只有對(duì)其綜放面的礦壓規(guī)律進(jìn)行深入的研究，可以進(jìn)一步得出保障礦井安全，高產(chǎn)的合理參數(shù)和技術(shù)措施［7］。

1 工作面概況

4-2101 工作面位于建北礦一盤(pán)區(qū)大巷西側(cè)，屬建莊礦首采工作面，北為礦井大巷保護(hù)煤柱，南為102 工作面(未掘)，東為一盤(pán)區(qū)巷道煤柱。煤層底板標(biāo)高為+827 ～+920 m，對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高為+1 300 ～+1 490 m.工作面傾斜長(zhǎng)度200 m，采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化放頂煤一次采全高，全部垮落法管理頂板的采煤方法。中部支架采用ZF8600/18/35 型放頂煤液壓支架支護(hù)頂板并同時(shí)放煤，工作面端頭采用ZFT19800/22/35 型端頭架支護(hù)，過(guò)渡架采用ZFG8600/22/35 支護(hù)，兩巷超前支護(hù)均采用單體支柱配合鉸接頂梁支護(hù)。兩巷超前支護(hù)采用DW38 -150/110LD 型單體液壓支柱和DJB -1200 型金屬絞接頂梁，一梁一柱支護(hù)方式，超前支護(hù)距離不小于20 m.

2 礦壓觀測(cè)方案

工作面總長(zhǎng)196 m，沿工作面共布置了3 個(gè)測(cè)點(diǎn)。1 號(hào)和3 號(hào)測(cè)點(diǎn)各布置在距離運(yùn)輸和回風(fēng)巷的距離為20 m，2 號(hào)測(cè)點(diǎn)布置在工作面的正中部位。在運(yùn)輸和回風(fēng)巷相鄰間距10 m 各布置2 個(gè)超前支護(hù)壓力測(cè)站A1，A2和B1，B2. 與此同時(shí)，在兩巷各布置2 個(gè)監(jiān)測(cè)A3，A4和B3，B4，相鄰測(cè)站間距為20 m，如圖1 所示。支架工作阻力的壓力傳感器在3 個(gè)測(cè)站中2 號(hào)測(cè)站布置8 架，每隔3 架支架監(jiān)測(cè)1 架。1 號(hào)測(cè)站和3 號(hào)測(cè)站布置7 架，每隔3架支架監(jiān)測(cè)1 架。實(shí)際一共監(jiān)測(cè)22 架支架。

圖1 礦壓觀測(cè)布置Fig.1 Pressure observation layout

3 礦壓規(guī)律分析

3.1 總體礦壓特征

工作面礦壓觀測(cè)時(shí)間歷時(shí)近52 d，工作面推進(jìn)了137 m 處。推進(jìn)過(guò)程中，工作面采空區(qū)內(nèi)直接頂從20#液壓支架到92#液壓支架范圍內(nèi)逐漸垮落，由于垮落巖層基本充填滿(mǎn)采空區(qū)冒落空間，此時(shí)可以確定為直接頂初次冒落階段。工作面推進(jìn)到25 m 時(shí)，工作面支架阻力普遍增加，持續(xù)時(shí)間約一天［8-10］。此時(shí)頂?shù)装逡平俣瘸霈F(xiàn)峰值，活柱下縮量也達(dá)最大，主要是基本頂斷裂下沉所造成，巷道監(jiān)測(cè)表明超前支護(hù)壓力和巷道變形在這此時(shí)也有明顯變化，這是工作面來(lái)壓前的預(yù)兆［11］。在進(jìn)一步分析支架阻力及巷道移近變形的基礎(chǔ)上，得出的老頂初次來(lái)壓步距為25 m 左右，在初次來(lái)壓之后每推進(jìn)一定距離發(fā)生周期來(lái)壓。

3.2 液壓支架載荷分析

根據(jù)各觀測(cè)支架的載荷隨工作面推進(jìn)的變化特點(diǎn)，可以判斷出老頂來(lái)壓的強(qiáng)度和步距，從而繪制出老頂頂來(lái)壓判據(jù)，如圖2 所示。依據(jù)來(lái)壓判據(jù)，結(jié)合工作面來(lái)壓特征可知，基本頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距大約25 m.周期來(lái)壓中最大步距為15.7 m，最小為9.6 m，平均為12.5 m. 由支架的平均工作阻力變化規(guī)律可知，支架普遍處于額定工作阻力以下，這說(shuō)明老頂運(yùn)動(dòng)不夠強(qiáng)烈，來(lái)壓強(qiáng)度相對(duì)較?。?2］。

3.3 支架運(yùn)行狀況

整個(gè)觀測(cè)過(guò)程中，對(duì)支架阻力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到了工作面阻力頻率分布圖3 和工作面初撐阻力頻率分布圖4. 由圖可知，支架的初撐力達(dá)到額定初撐力80%以上(25.25 MPa)的架次只占到測(cè)試架次的14%，而支架的初撐力達(dá)到額定初撐力31.5 MPa 的架次只占到測(cè)試架次的5%，支架的初撐力達(dá)在15 MPa 以下的占40%，工作面支架的初撐力存在嚴(yán)重不足現(xiàn)象，必須加強(qiáng)操作管理［13］。

圖2 工作面來(lái)壓判據(jù)Fig.2 Face pressure criterion

圖3 工作阻力分布圖Fig.3 Distribution of the load

工作阻力大于31.5 MPa 的架次占測(cè)試架次的26%，其中達(dá)到額定工作阻力42.2 MPa 的架次占測(cè)試架次的8%，在非來(lái)壓期間絕大部分架次的工作阻力在額定初撐力以下，而處于額定工作阻力附近的架次基本都處于頂板來(lái)壓時(shí)?？傮w來(lái)說(shuō)工作面來(lái)壓強(qiáng)度相對(duì)較小，頂板比較容易管理［14］。

4 巷道表面觀測(cè)

圖4 初撐力分布圖Fig.4 Distribution of the set load

圖5 巷道移近速度Fig.5 Roadway moving velocity

回風(fēng)巷的頂?shù)装逡平俣入S工作面推進(jìn)距離的變化規(guī)律由圖5 可以表明，巷道圍巖移近速度曲線(xiàn)的波動(dòng)規(guī)律與頂板運(yùn)動(dòng)具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，頂?shù)装寤騼蓭鸵平啃?，表明頂板運(yùn)動(dòng)不劇烈，回風(fēng)巷的現(xiàn)有支護(hù)方式比較安全，工作面的采動(dòng)對(duì)它的擾動(dòng)影響不大。運(yùn)輸巷的頂?shù)装逡平俣入S工作面推進(jìn)距離的變化規(guī)律表明，圍巖位移速度變化較小，其變化都大多在3.0 mm/d 以?xún)?nèi)?？傮w上巷道在工作面前方35 m 開(kāi)始收斂，6 ～15 m 階段頂?shù)装逡平俣容^快，在其它范圍內(nèi)巷道高度變化則較為平緩，巷道累計(jì)移近量?。?5-20］。超前支護(hù)壓力分析表明，支承壓力峰值在煤壁前方3 ～6 m，支承壓力影響范圍在工作面前方35 m 范圍內(nèi)，其分布規(guī)律見(jiàn)圖6 所示。超前支護(hù)壓力影響范圍較小，支承壓力值也不大，巷道礦壓顯現(xiàn)比較緩和，現(xiàn)有20 m 超前支護(hù)距離足以滿(mǎn)足巷道支護(hù)要求。

圖6 超前支承壓力Fig.6 Distribution of the ahead pressure

5 結(jié) 論

1)工作面支架的實(shí)際工作阻力普遍不高，基本頂初次來(lái)壓之前大部分在額定初撐力之下工作，初次來(lái)壓之后一般在周期來(lái)壓期間支架阻力變化明顯。綜放支架基本滿(mǎn)足4-2101 工作面頂板管理的需求。在觀測(cè)期間雖然有支架大幅度活柱下縮、安全閥開(kāi)啟、冒頂、片幫、采動(dòng)裂隙發(fā)生，實(shí)際上是由于支架實(shí)際初撐力太小、工作面推進(jìn)速度太慢等原因所致。因此，應(yīng)提高初撐力，加強(qiáng)工作面支護(hù)質(zhì)量管理，在來(lái)壓期間加快工作面的推進(jìn)速度。

2)工作面基本頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距為25 m，周期來(lái)壓步距最小9.6 m，最大15.7 m，平均12.5 m，周期來(lái)壓步距為基本頂初次來(lái)壓步距的1/3 ～2/3。直接頂屬2 類(lèi)中等穩(wěn)定頂板，基本頂屬于Ⅱ級(jí)。在來(lái)壓前后應(yīng)分別管理，以防止動(dòng)壓沖擊和切頂事故發(fā)生。

3)基本頂來(lái)壓時(shí)支架上動(dòng)載系數(shù)平均1.5，有明顯的周期來(lái)壓，頂板管理難度中等。但支架的合理工作阻力為額定工作阻力的99.3%，沒(méi)有富裕系數(shù)，隨著工作面的推進(jìn)，基本頂?shù)闹芷谄茢嗫赡艽嬖诖蟮闹芷趤?lái)壓，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)阻力的管理，在推進(jìn)過(guò)程中如果遇到比較大的來(lái)壓，應(yīng)采用單體支柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，避免由于支撐力不足而導(dǎo)致安全事故。

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