劉 超 王彥敏 王傳晨

（濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司霄云煤礦，山東 濟(jì)寧 272213）

以山東濟(jì)寧霄云煤礦1310 孤島工作面為研究對(duì)象，對(duì)其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，進(jìn)而對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析[1-6]，以期掌握該采煤工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對(duì)同工程條件下采場(chǎng)液壓支架的選型、支撐阻力的確定、巷道支護(hù)強(qiáng)度和范圍的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 工作面概況

霄云煤礦位于山東省金鄉(xiāng)縣霄云鎮(zhèn)。該礦1310工作面位于一采區(qū)東翼，生產(chǎn)水平為-790 m。工作面處于單斜構(gòu)造區(qū)域，走向長(zhǎng)度745 m，傾向長(zhǎng)度220 m。工作面東側(cè)為一、二采區(qū)邊界，二采區(qū)未進(jìn)行采掘活動(dòng)。1310 工作面南側(cè)為1312 采空區(qū)，北側(cè)為1308 采空區(qū)，如圖1。

圖1 1310 工作面周邊開(kāi)采情況

開(kāi)采3 號(hào)煤層厚1.4～4.3 m，平均3.5 m，煤層傾角為13°～19°，平均16°。1310 工作面煤層頂、底板巖性情況見(jiàn)表1。工作面采取后退式走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，配備ZY8000/20/42D 型支撐掩護(hù)式液壓支架151 臺(tái)，液壓支架自動(dòng)跟機(jī)支護(hù)頂板，全部垮落法管理頂板。采用的ZQL2×2000/20/40/ ZQ4000/18/36 型兩柱單元式軌順超前支架的工作阻力為4000 kN。設(shè)計(jì)順槽超前支護(hù)距離為120 m，軌順雙排共80 架，皮順單排共50 架。

表1 1310 工作面頂、底板巖性情況表

2 綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

2.1 礦壓監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

工作面液壓支架工作阻力采用KJ479 無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)，工作面液壓支架總數(shù)為151，自膠帶巷1#架起，每逢尾號(hào)為1 進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，即1#、11#、21#……151#支架，共布置16 個(gè)測(cè)點(diǎn)。礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全程記錄了各測(cè)點(diǎn)支架工作阻力隨時(shí)間變化情況。礦壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖2。

圖2 1310 工作面礦壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

2.2 工作面礦壓顯現(xiàn)情況

2.2.1 初撐力分析

采場(chǎng)支護(hù)系統(tǒng)中支架的初撐力至關(guān)重要，其作用有兩個(gè)：1）確保支架的增阻符合設(shè)計(jì)的支架增阻規(guī)律，保證支架處于合理的工作狀態(tài)，發(fā)揮其最大的支護(hù)性能；2）抑制頂板的早期下沉，最大限度地保持支架上方煤巖層的完整，防止冒頂及頂板上下位巖層的離層，有效避免動(dòng)壓沖擊。根據(jù)規(guī)定，支架初撐力應(yīng)不小于25.2 MPa。各支架實(shí)測(cè)平均初撐力為20.97 MPa，為合格初撐力（25.2 MPa）的83.22 %。

2.2.2 支架工作阻力分析

支架阻力主要分布在20～30 MPa，該區(qū)間內(nèi)支架數(shù)量約占支架總數(shù)的55%，阻力不足20 MPa 的支架數(shù)量約占總數(shù)的26%。隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加，支架阻力不足20 MPa 占比逐漸減小，支架阻力超過(guò)30 MPa占比逐漸增大，支架支護(hù)性能利用率增大。

液壓支架來(lái)壓記錄的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3。在同一來(lái)壓時(shí)間段，沿傾斜方向上各支架來(lái)壓的時(shí)間節(jié)點(diǎn)不同步，說(shuō)明在沿傾斜方向上各位置頂板運(yùn)動(dòng)不同步。同時(shí)，接近工作面上端頭側(cè)支架的來(lái)壓次數(shù)明顯少于下端頭側(cè)，說(shuō)明頂板垮落步距在沿傾向上不一致。各支架密集來(lái)壓時(shí)間間隔相差較大，說(shuō)明頂板來(lái)壓位置在走向上不均勻。

圖3 各支架阻力階段性篩選

1310 工作面兩側(cè)為采空區(qū)，通過(guò)數(shù)次現(xiàn)場(chǎng)考察發(fā)現(xiàn)，靠近兩順槽側(cè)的支架工作阻力均較小，一般在初撐力值附近輕微變化，未出現(xiàn)明顯增阻現(xiàn)象。其中以1#、151#架為代表，基本在20 MPa 左右。這主要是由于兩順槽頂板錨網(wǎng)主動(dòng)支護(hù)及超前單元支架高強(qiáng)支護(hù)，加之工作面順槽采取了超前斷頂卸壓等措施而造成的。整體來(lái)看，在工作面來(lái)壓期間，工作面中部壓力要高于兩端頭區(qū)域，工作面中上部液壓支架在來(lái)壓期間均呈現(xiàn)較高壓力狀態(tài)，趨勢(shì)上下略有起伏；沿工作面推進(jìn)方向，支架壓力呈波浪起伏趨勢(shì)。

從采場(chǎng)支架工作阻力利用程度來(lái)看，目前1310孤島面所裝備的ZY8000/20/42D 型掩護(hù)式液壓支架能夠滿足頂板控制要求，并有一定的富余量。因本面埋深相對(duì)較淺，且初采階段兩順槽提前進(jìn)行了切頂預(yù)裂，回采期間覆巖運(yùn)動(dòng)相對(duì)比較平穩(wěn)。為確保后續(xù)1328 面等類(lèi)似條件下孤島工作面的安全開(kāi)采，加強(qiáng)支架對(duì)工作面地質(zhì)條件變化的適應(yīng)性，建議在類(lèi)似條件其他工作面支架選型時(shí)，至少應(yīng)保持同一等級(jí)。

2.2.3 頂板來(lái)壓判據(jù)

計(jì)算各支架工作阻力的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，取支架阻力的“平均值+標(biāo)準(zhǔn)差/2”作為來(lái)壓的第一界定指標(biāo)，取各支架循環(huán)末阻力的“平均值+標(biāo)準(zhǔn)差/2”作為來(lái)壓的第二界定指標(biāo)。各支架阻力來(lái)壓臨界值分布趨勢(shì)如圖4。

圖4 各支架阻力來(lái)壓臨界值分布趨勢(shì)

1310 工作面初采期間初次來(lái)壓步距40～50 m，平均為46.1 m。圖4 中各支架來(lái)壓時(shí)長(zhǎng)比在數(shù)值上不一致，介于20.21%～39.69%，說(shuō)明采場(chǎng)各位置頂板運(yùn)動(dòng)不同步。以61#～81#液壓支架為代表，工作面中部來(lái)壓時(shí)長(zhǎng)比相對(duì)較大，而該區(qū)間來(lái)壓臨界值較小，說(shuō)明此區(qū)間頂板運(yùn)動(dòng)連續(xù)性和規(guī)律性較強(qiáng)。各支架循環(huán)末阻力和來(lái)壓次數(shù)近似負(fù)相關(guān)，即末阻力越高，來(lái)壓次數(shù)越少。

2.2.4 來(lái)壓強(qiáng)度分析

表2 為各支架循環(huán)末阻力統(tǒng)計(jì)結(jié)果。各測(cè)站支架實(shí)際循環(huán)末阻力為23.04～36.96 MPa，整體支架平均末阻力均值為30.86 MPa，占額定工作阻力（39.5 MPa）的78.12%，表明現(xiàn)有支架額定工作阻力滿足1310 工作面采場(chǎng)支護(hù)要求。同時(shí)，以41#、91#和131#架為代表的中部區(qū)間，支架循環(huán)末阻力均值較高，超過(guò)了額定工作阻力的70%。根據(jù)液壓支架工作阻力特征，求得頂板來(lái)壓期間的動(dòng)載系數(shù)為1.4～1.9，表明頂板初次來(lái)壓時(shí)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度較大。

表2 支架末阻力利用率

2.2.5 工作面上位巖層運(yùn)動(dòng)

隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，高位巖梁將深入煤壁前方內(nèi)部斷裂。在對(duì)基本頂初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上，對(duì)采動(dòng)覆巖上位巖梁運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)一步分析。1310 工作面下位巖梁為細(xì)砂巖，厚10.9 m，視為第一關(guān)鍵層；煤層上方38.2～50.4 m 位置存在厚度為12.2 m 的細(xì)砂巖，視為第二關(guān)鍵層；再上方至66.5 m 為第二關(guān)鍵層的隨動(dòng)層。

以101#液壓支架阻力為例，如圖5，7 月19 日支架壓力達(dá)到來(lái)壓閾值，此為第一階段；7 月27 日—7 月29 日壓力迅速增加，此為第二階段；7 月29日之后壓力迅速降低到來(lái)壓閾值以下，此為第三階段。其中自27 日到29 日期間，工作面軌順側(cè)推進(jìn)距離為97.8～102.7 m。

圖5 101#液壓支架阻力

上述三個(gè)階段對(duì)應(yīng)工作面與高位巖梁斷裂線的不同相對(duì)位置關(guān)系：

1）由于高位巖梁發(fā)生斷裂，壓力傳遞作用于煤壁和液壓支架。工作面在斷裂巖梁下方推進(jìn)過(guò)程中到斷裂線的水平距離逐漸減小，因而作用在液壓支架上的壓力不斷增大。此過(guò)程對(duì)應(yīng)上述液壓支架阻力變化的第一階段。

2）當(dāng)工作面推進(jìn)至高位巖梁斷裂線下方附近，煤體承擔(dān)的載荷迅速減小。該區(qū)間內(nèi)斷裂巖體的重力主要作用在液壓支架上，因此阻力較高但持續(xù)時(shí)間較短。期間工作面推進(jìn)距離約5 m，接近支架的控頂距。

3）當(dāng)工作面推進(jìn)穿過(guò)斷裂線后，液壓支架位于下一懸臂梁下方，因而第三階段阻力迅速降低。

基于上述分析可判定高位巖梁于7 月19 日左右破斷，對(duì)應(yīng)工作面軌順側(cè)從19～27 日的推進(jìn)距離為76～97.8 m。根據(jù)101#液壓支架監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，初步判定高位巖梁的初次斷裂位置約為97.8 m，斷裂時(shí)超前工作面煤壁21.8 m。

表3 高位巖梁斷裂位置統(tǒng)計(jì)

由于頂板運(yùn)動(dòng)的分區(qū)性，各支架監(jiān)測(cè)所得來(lái)壓步距介于8～30 m，其中工作面上部區(qū)域來(lái)壓步距較大、支架壓力較高，需保證支架足夠的初撐力。1310 工作面回采期間頂板周期來(lái)壓步距最大區(qū)域?yàn)?0.13 m，最小區(qū)域?yàn)?.78 m，變化幅度達(dá)22.35 m。經(jīng)連續(xù)9 個(gè)周期來(lái)壓期間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出，1310 工作面周期來(lái)壓步距平均為13 m。

3 超前支承壓力

受工作面采動(dòng)影響，超前支承壓力測(cè)區(qū)內(nèi)單元支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)讀數(shù)隨之發(fā)生變化，分析其壓力變化可以總結(jié)工作面超前支承壓力分布規(guī)律，確定其支承壓力影響范圍及強(qiáng)度，為順槽超前加強(qiáng)支護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，最大程度地保證工作面生產(chǎn)的安全與效率。

3.1 軌順單元支架壓力分析

由于7 月10 日—7 月17 日監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障、數(shù)據(jù)中斷，故將數(shù)據(jù)分兩個(gè)階段進(jìn)行整理分析，得出第一階段和第二階段的軌道順槽單元支架壓力分布圖，以此分析1310 軌道順槽內(nèi)單元支架壓力隨工作面推進(jìn)的變化趨勢(shì)，如圖6。

圖6 1310 軌道順槽單元支架壓力分布

通過(guò)大量數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計(jì)，結(jié)合軌順側(cè)單元支架與工作面煤壁的相對(duì)位置分析，可以得到以下規(guī)律：

1）1310 工作面推進(jìn)過(guò)程中，煤壁和單元支架做相向移動(dòng)。假定以煤壁為參照點(diǎn)并記為坐標(biāo)原點(diǎn)，以順槽軸線超前方向?yàn)闄M坐標(biāo)軸正方向，則隨著開(kāi)采時(shí)間延長(zhǎng)，單元支架到煤壁距離越來(lái)越近。

2）基于上一條定義，當(dāng)單元支架“相對(duì)移動(dòng)”到距離采場(chǎng)煤壁一定距離范圍內(nèi)，便會(huì)受到采場(chǎng)超前支承壓力的動(dòng)壓影響。隨著回采工作的進(jìn)行，每個(gè)單元支架到煤壁的距離越來(lái)越近，支架壓力逐漸增大并逐漸達(dá)到卸壓閾值（40.9 MPa），進(jìn)而出現(xiàn)卸壓現(xiàn)象。超前支承壓力將進(jìn)一步使單元支架進(jìn)入“增阻-卸壓”循環(huán)，從礦壓顯現(xiàn)方面直接表現(xiàn)為順槽鼓幫、底鼓、頂板下沉等現(xiàn)象加劇，由此可確定超前支承壓力的影響范圍。

3）軌順側(cè)超前卸壓區(qū)的范圍為回采煤壁至超前6～10 m，該卸壓狀態(tài)受工作面采煤和切頂?shù)木C合影響；工作面超前10～60 m 范圍內(nèi)單元支架壓力基本達(dá)到卸壓閾值，劃定為超前支承壓力劇烈影響區(qū)；超前60～95 m 范圍內(nèi)單元支架壓力隨相對(duì)位置變化，距離工作面越近，支架壓力越大，因此將該區(qū)間劃定為超前支承壓力影響區(qū)；超前95～130 m 范圍內(nèi)單元支架壓力整體較低且變化趨勢(shì)和幅度較小，劃定為無(wú)影響區(qū)。

4）在兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)工作面超前支承壓力的影響范圍和劇烈程度有所變化。第二階段自7 月19日以來(lái)，工作面相對(duì)達(dá)到快速并保持勻速推進(jìn)，其展現(xiàn)在單元支架數(shù)據(jù)上的影響區(qū)間和變動(dòng)頻率較之前明顯增大。從數(shù)值上，工作面軌順側(cè)超前卸壓區(qū)范圍從6 m 增加到10 m，劇烈影響區(qū)從40 m 增加到60 m，輕微影響區(qū)從100 m 增加到115 m。監(jiān)測(cè)過(guò)程中，個(gè)別單元支架壓力在監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)壓力較小甚至接近0 值，此處判定為噪點(diǎn)并予以剔除。

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3.2 膠順單元支架壓力分析

1310 膠帶順槽內(nèi)單元支架壓力隨工作面推進(jìn)的變化趨勢(shì)如圖7。

圖7 1310 膠帶順槽單元支架壓力分布

結(jié)合皮順側(cè)單元支架壓力與工作面煤壁的相對(duì)位置分析，可以得到以下規(guī)律：

1）1310 工作面皮順側(cè)超前范圍內(nèi)無(wú)明顯卸壓區(qū)；超前65 m 范圍內(nèi)為支承壓力劇烈影響區(qū)；超前65～105 m 為影響區(qū)；超前105～125 m 為無(wú)影響區(qū)。

2）工作面膠帶順槽多架單元支架阻力表現(xiàn)出較大的變化趨勢(shì)，分析認(rèn)為與工作面周期來(lái)壓相關(guān)。

個(gè)別支架工作阻力接近0 值，數(shù)據(jù)處理篩選時(shí)按無(wú)效數(shù)據(jù)剔除處理，同時(shí)建議進(jìn)行定期檢查校核。

3.3 工作面上位巖梁運(yùn)動(dòng)分析

在上述基本頂初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，為探索更大范圍的覆巖運(yùn)動(dòng)對(duì)1310 工作面采場(chǎng)支架阻力及支承壓力的影響程度，需對(duì)采動(dòng)覆巖上位巖梁運(yùn)動(dòng)特征作進(jìn)一步分析。1310 工作面下位巖梁為細(xì)砂巖，厚10.9 m，視為第一關(guān)鍵層；煤層上方38.2～50.4 m 存在厚度為12.2 m 的細(xì)砂巖，視為第二關(guān)鍵層；再上方至66.5 m 為第二關(guān)鍵層的隨動(dòng)層。下位巖梁破斷之后，其上方隨動(dòng)層逐步破斷和冒落，支承壓力影響范圍隨之增大。隨著工作面持續(xù)向前推進(jìn)，高位巖梁將深入煤壁前方內(nèi)部斷裂，支承壓力顯現(xiàn)分為內(nèi)、外兩個(gè)應(yīng)力場(chǎng)。根據(jù)工作面回采過(guò)程中液壓支架工作阻力的變化情況，可推算出高位巖梁斷裂的大致位置。工作面覆巖結(jié)構(gòu)及內(nèi)-外應(yīng)力場(chǎng)示意圖如圖8。

圖8 工作面覆巖結(jié)構(gòu)及內(nèi)-外應(yīng)力場(chǎng)示意

從工作面超前支承壓力等觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，超前支承壓力影響高峰區(qū)范圍較大、幅值較高，在保證現(xiàn)有巷道錨網(wǎng)支護(hù)和單元支架支設(shè)質(zhì)量的前提下，適當(dāng)加大順槽超前支護(hù)的范圍。現(xiàn)場(chǎng)軌道順槽超前支護(hù)距離不變，后期膠帶順槽超前支護(hù)距離增加至150 m。

4 結(jié)論

1310 工作面是霄云煤礦恢復(fù)生產(chǎn)后接續(xù)開(kāi)采的第一個(gè)長(zhǎng)壁孤島工作面。孤島工作面支承壓力較正常工作面大，煤體內(nèi)應(yīng)力集中明顯，進(jìn)而對(duì)采動(dòng)應(yīng)力產(chǎn)生較大影響。為探索該類(lèi)地質(zhì)與開(kāi)采技術(shù)條件下的孤島綜采面礦壓分布規(guī)律，上覆巖層運(yùn)動(dòng)范圍及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，超前支承壓力分布特點(diǎn)、范圍和程度，從而為礦井后續(xù)生產(chǎn)技術(shù)管理提供科學(xué)依據(jù)，以1310 孤島綜采面初采過(guò)程中礦壓監(jiān)測(cè)及后續(xù)整理分析工作為基礎(chǔ)，摸索出了該類(lèi)條件下的初采礦壓規(guī)律，主要得出：

1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)綜合判定1310 基本頂初次來(lái)壓步距約40～50 m，平均為46.1 m。

2）1310 工作面周期來(lái)壓步距平均為13 m，頂板來(lái)壓期間的動(dòng)載系數(shù)為1.4～1.9。

3）工作面來(lái)壓具有分段（區(qū)）性，沿工作面傾斜方向工作面中下部（靠近機(jī)尾頭）先來(lái)壓，后逐漸向上部轉(zhuǎn)移，最終發(fā)展為整個(gè)工作面來(lái)壓。

4）支架整體平均初撐力為20.97 MPa，為合格初撐力（25.2 MPa）的83.22 %。支架循環(huán)末阻力為23.04～36.96 MPa，均值為30.86 MPa，占額定工作阻力的78.12%。

5）分析了兩順槽單元支架支撐壓力隨工作面推進(jìn)距離增加的變化規(guī)律，為順槽超前支護(hù)的合理性提供理論依據(jù)。