兩側實體煤側向采動環境下工作面礦壓顯現實測

王清亮

(山西汾西礦業集團有限責任公司，山西 介休 032000)

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·試驗研究·

兩側實體煤側向采動環境下工作面礦壓顯現實測

王清亮

(山西汾西礦業集團有限責任公司，山西 介休 032000)

為了確定某井田31303工作面在兩側采空區側向采動環境下工作面設備的可靠性，通過現場監測礦壓顯現規律，監測了工作面在周期來壓、顯著運動、相對穩定幾個步距，同時對工作面支架阻力進行觀測，并觀測了工作面宏觀礦壓顯現情況，觀測結果表明，工作面支架能夠滿足生產需求。

采空區；采動影響；礦壓顯現；支架阻力

側向采動環境是指以工作面推進方向為基準方向，位于采煤工作面兩側煤層或巖層的存在狀態。對于煤炭開采來講，其存在狀態主要包括采動與未采動兩種。采動是指在煤層或巖層中開掘巷道或進行回采工作，其表現形式為形成采空區；未采動狀態表現形式為煤巖體存在。

1 工程背景

某井田內含煤地層為侏羅系中統延安組，含有2、3、4、5、6五個煤組，含煤地層總厚度174.55～307.32 m/224.45 m. 31303工作面回采3-1煤層，該煤層位于侏羅系中下統延安組上部，屬全區可采穩定煤層，是井田的主要可采煤層之一。煤層厚度5.45～7.15 m/6.14 m，埋深382.45～455.33 m/418.3 m，傾角1°～3°. 煤層厚度總體變化較小，局部有波狀起伏，屬于穩定偏較穩定煤層。工作面煤層上覆侏羅系中統直羅組隔水層，隔水性能良好，對工作面回采的影響較小，水文地質條件屬于“簡單”類型。井田內的斷層延展長度不大，斷距均小于或等于10 m，構造屬簡單類型。

31303大采高綜采工作面為礦井開采的第一水平第二個工作面，煤層底板標高931.6～944.0 m，工作面推進長度4 227.92 m，寬300.58 m，工作面面積127.08萬m2. 31303工作面開采的為近水平厚煤層，結合礦井開拓布置，31303工作面采用傾斜長壁后退式大采高一次采全高綜合機械化采煤方法，采高5.53 m，采用自然垮落法管理采空區頂板。31303工作面煤層頂底板情況見表1. 31303工作面巷道布置平面圖見圖1.

表1 煤層頂底板情況表

圖1 31303工作面巷道布置圖

31303工作面頂板主要由砂質泥巖和中粒砂巖組成，強度中等；底板主要由泥巖、炭質泥巖組成，強度低，遇水易膨脹泥化，極易造成超前單體“鉆底”等現象。正常推進時工作面留底煤護底，底煤厚度不超過0.5 m.

由圖1可知，工作面自開切眼后至推進1 458 m階段為兩側實體煤側向采動環境，推進1 458 m后31303工作面回風順槽即與第1個工作面31301工作面采空區相鄰，為一側采空區一側實體煤側向采動環境。區段煤柱寬度18 m.兩側實體煤側向采動環境示意圖見圖2.

圖2 兩側實體煤側向采動環境示意圖

2 工作面頂板運動步距實測

對6個監測部位處工作面正常推進階段基本頂周期來壓步距進行了分析和統計，在工作面推進505 m過程中，工作面經歷了初次來壓和26～30個完整周期來壓。本次重點研究工作面頂板初次來壓之后工作面正常推進階段頂板運動步距。

2.1 周期來壓步距

工作面6條測線部位處頂板周期來壓步距統計見表2.

由表2可知：

1) 頂板周期來壓步距平均值c=13.4～16.2 m/14.5 m，平均步距折合割煤刀數18～19刀。工作面下部頂板周期來壓步距最大，為16.1 m；工作面上部頂板周期來壓步距最小，為13.5 m.

表2 31303工作面頂板周期來壓步距c統計表

2) 頂板周期來壓步距均方差4.4～7.3 m/5.6 m. 工作面下部頂板周期來壓步距均方差最大，為6.2～7.3 m/6.75 m；工作面上部頂板周期來壓步距均方差最小，為4.4～4.7 m/4.65 m.

3) 工作面下部130#支架處頂板周期來壓步距變化范圍最大，為5.2～32.9 m，最大與最小步距相差27.7 m，均方差7.3 m，離散型最大；工作面上部44#支架處頂板周期來壓步距變化范圍最小，為5.8～21.5 m，最大與最小步距相差15.7 m，均方差4.4 m，離散型最小。

2.2 顯著運動步距

工作面6條測線部位處頂板顯著運動來壓步距統計見表3.

表3 工作面6條測線部位頂板顯著運動步距a統計表

由表3可知：

1) 頂板顯著運動步距平均值a=6.5～8.4 m/7.6 m，a≈0.52c，約合割煤刀數9～10刀。工作面下部頂板顯著運動步距最大，為8.25 m；工作面中部頂板顯著運動步距最小，為6.55 m.

2) 頂板顯著運動步距均方差3.2～4.7 m/3.8 m. 工作面下部頂板顯著運動步距均方差最大，為4.4～4.7 m/4.55 m；工作面中部頂板顯著運動步距均方差最小，為3.2～3.6 m/3.4 m.

3) 工作面下部130#支架處頂板顯著運動步距變化范圍最大，最大與最小步距相差16.4 m，均方差4.7 m，離散型最大；工作面上部45#支架處頂板顯著運動步距變化最小，為2.9～15.1 m，最大值與最小值相差12.2 m，均方差3.6 m，離散型較小。

2.3 相對穩定步距

工作面6條測線部位處頂板相對穩定步距統計見表4.

表4 工作面6條測線部位頂板相對穩定步距b統計表

由表4可知：

1) 頂板相對穩定步距平均值b=5.2～7.8 m/6.8 m. 工作面下部頂板相對穩定步距最大，為7.75 m；工作面上部頂板相對穩定步距最小，為5.4 m.

2) 頂板相對穩定步距均方差2.7～4.7 m/3.8 m. 工作面中部頂板相對穩定步距均方差最大，為4.2～4.7 m/4.55 m；工作面上部頂板相對穩定步距均方差最小，為2.7～3.1 m/2.9 m.

3) 工作面中部86#支架處頂板相對穩定步距變化范圍最大，為1.9～20.6 m，最大與最小步距相差18.7 m，均方差4.7 m，離散型最大；工作面上部45#支架處頂板相對穩定步距變化最小，為1.5～9.8 m，最大值與最小值相差8.3 m，均方差2.7 m，離散型最小。

3 工作面支架工作阻力分析

31303工作面基本支架采用鄭州煤機集團ZYl2000/28/63型掩護式支架，額定工作阻力12 000 kN. 工作面最大控頂距5 940 mm，最小控頂距5 140 mm，支架中心距1 750 mm，立柱缸徑400 mm，額定初撐力31.4 MPa(7 916 kN).

3.1 支架初撐力

工作面6條測線處支架初撐力及利用率統計見表5.

表5 31303工作面6條測線部位支架初撐力統計表

由表5可知：

1) 31303工作面支架初撐力統計均值4 521～5 468/5 101 kN，占額定初撐力的57.11%～69.07%/64.44%.

2) 初撐力均方差平均值1 370～2 007/1 689 kN，占實測初撐力平均值的33.10%，離散性偏大。

按照31303綜采工作面作業規程規定，工作面支架初撐力應達到其額定初撐力的80%(6 333 kN)的管理目標要求，整個監測過程各支架62.37%～81.72%/74.52%工作循環的初撐力小于該規定值，且同一支架的工作循環初撐力存在明顯且較大幅度的波動。支架實際初撐力利用率為57.11%～69.07%/64.44%，因此，工作面支架初撐力利用率偏低。

3.2 支架循環末阻力

6條測線處支架整架工作阻力統計見表6.

由表6可知：

1) 工作面支架循環末阻力均值7 666～8 443/8 120 kN，均未超出支架的額定工作阻力，占額定工作阻力的63.88%～70/36%/67.66%.

2) 工作面3個區域整架末阻力之比，上部∶中部∶下部=1.09∶1∶1.08. 工作面上部和下部支架循環末阻力大于工作面中部阻力平均值。支架整架工作阻力利用率僅63.880%/0～70.36%，平均67.66%，方差約為均值的0.30倍，表明整架工作阻力整體利用率不高。

3.3 頂板來壓時支架壓力

工作面頂板來壓時6條測線部位支架工作阻力分布統計見表7.

表6 31303工作面6條測線部位支架工作阻力分布統計表

表7 工作面來壓時支架工作阻力分布統計表

由表7可知：

1) 工作面頂板來壓時，支架均值阻力10 224～10 429/10 334 kN，支架均值阻力占支架額定工作阻力的85.20%～86.91%/86.11%，此時支架工作阻力利用率較高。

2) 工作面頂板來壓時，工作面支架均值壓力近似相等，表明工作面面長方向各區域頂板壓力來壓強度差別不大。

3) 工作面頂板來壓時，支架工作阻力均方差1 117～1 419 kN/1 305 kN，支架工作阻力均方差占支架實測均值阻力10.80%～13.73%/12.63%，整體波動不大。

整體而言，工作面支架額定工作阻力大于來壓時支架工作阻力。統計過程中，除個別情況支架壓力較大外，其余支架壓力均正常。工作面所用支架滿足工作面的正常生產。

3.4 頂板來壓前支架壓力

工作面頂板來壓前6條測線部位支架工作阻力分布統計見表8.

表8 工作面來壓前支架工作阻力分布統計表

由表8可知：

1) 工作面頂板來壓前支架工作阻力5 695～6 846 kN/6 388 kN，占支架額定工作阻力47.46%～57.05%/53.23%，此時支架工作阻力利用率較低。

2) 工作面頂板來壓前，工作面3個區域內支架工作阻力上部∶中部∶下部=1.14∶1∶1.16. 其中，工作面中部支架平均工作阻力最小，為5 813 kN；工作面上部和下部支架平均工作阻力基本相同，分別為6 616 kN和6 736 kN.

3) 工作面頂板來壓前，支架工作阻力均方差1 287～1 933/1 567 kN，支架工作阻力均方差占支架實測均值阻力20.15%～30.26%/24.53%，整體波動較大。

3.5 支架動載系數

6個監測部位支架動載系數統計見表9.

表9 基本頂來壓強度與動載系數間關系表

動載系數作為一項衡量基本頂來壓強度的重要指標，只能定量地描述基本頂來壓強度，在現場應用中，動載系數結合支架使用情況能夠較準確地反映出基本頂來壓強度。支架動載系數統計見表10.

表10 31303工作面支架動載系數分布統計表

由表10可知：

1) 支架動載系數平均值1.52～1.83/1.62，工作面基本頂來壓屬于“強烈”范疇。其中，86#支架動載系數最大為1.83，13l#支架動載系數最小為1.52.

2) 工作面支架各部均值動載系數之比，上部∶中部∶下部=1.02∶1.18∶1.其中，工作面中部基本頂來壓最強烈，工作面上部和下部基本頂來壓強度相當。

3) 工作面支架動載系數均方差0.00～0.06/0.03，支架動載系數圍繞平均值小范圍波動。

4 工作面宏觀礦壓顯現情況

4.1 頂板冒落

對工作面推進過程中頂板冒落情況進行了41次統計，統計情況見表11.

表11 31303工作面頂板冒落情況統計表

由表11可知：

1) 工作面頂板平均冒落寬度434～478 mm/架/452 mm/架。其中，工作面中部冒頂嚴重，平均478 mm/架：工作面上部和下部較輕。

2) 工作面頂板平均冒落高度61～76 mm/68 mm. 其中，工作面中部冒頂嚴重，平均76 mm；工作面下部較輕，平均61 mm.

4.2 煤壁片幫

對31303工作面進行了38次片幫測量統計，統計情況見表12.

表12 31303工作面片幫情況統計表

由表12可知：

1) 工作面進入周期來壓階段后，工作面煤壁片幫值開始逐步增大，最大片幫值可達1 000 mm，平均片幫值109 mm.

2) 工作面3個區域煤壁片幫96～122 mm，平均片幫值109 mm；工作面中部煤壁片幫最嚴重，平均122 mm；上部煤壁片幫程度較輕，平均96 mm. 但工作面整體片幫不大，在可控范圍之內。

5 結 論

在工作面正常生產過程中支架整架均值阻力占支架額定工作阻力的85.20%～86.91%/86.11%，此時支架工作阻力利用率較高。工作面頂板來壓前，支架工作阻力均方差1 287～1 933/1 567 kN，支架工作阻力均方差占支架實測均值阻力20.15%～30.26%/24.53%，整體波動較大，需要加強此段時間對支架的管理。同時，可以看到，工作面宏觀礦壓顯現并不明顯，片幫與頂板冒落在可控范圍。

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Measurement of Mine Pressure Behavior of Integrated Coal on Both Sides of Coal Face

WANG Qingliang

For the determination of the reliability of the face support equipment in 11303 working face under the condition of side direction mining with mined-out area in two sides in a coal mine, the monitoring and measurement are conducted on production pressure, periodical pressure, notable movement, relatively stable space. The Macro mine pressure behavior in the working face is also observed. The results show that supports can meet the production demand in the working face.

Goaf; Mining effect; Strata behavior; Support resistance

2017-03-10

王清亮(1972—)，男，山西孝義人，2008年畢業于太原理工大學，高級工程師，主要從事煤炭生產技術管理工作

(E-mail)zfg3259@163.com

TD327.2

B

1672-0652(2017)05-0016-05