高地压矿井首采工作面矿压规律实测研究

李 想 马 洼 李红友 苏桂虎

（山东鲁能菏泽煤电公司郭屯煤矿，山东省郓城县，274700）

高地压矿井首采工作面矿压规律实测研究

李 想 马 洼 李红友 苏桂虎

（山东鲁能菏泽煤电公司郭屯煤矿，山东省郓城县，274700）

郭屯煤矿属于高地压矿井，且首采1302综采工作面具有冲击地压现象。为了研究高地压条件下矿井首采面的矿压规律，对其矿压显现规律和冲击地压现象进行监测并加以分析，以便评价冲击地压条件下的支架适用性并提出有效的防治冲击地压措施。经过现场实测分析得出：工作面初次来压步距48.5m，周期来压步距24.5m，并且在开采1302首采工作面时，工作面内发生冲击地压的可能性较小。

冲击地压 首采面 矿压显现 支架工作阻力

对于具有冲击地压危险性的工作面，特别是首采工作面，掌握其矿压显现规律是很有必要的。对该条件下的工作面进行系统、全面和针对性的矿压观测，不仅是工作面支架设计选型是否合理的直接依据，而且对于防治冲击地压实现工作面安全回采也是十分重要的。为此对郭屯煤矿1302工作面进行矿压规律和冲击地压监测，以了解顶板的运动规律，合理组织生产，实行科学管理顶板，实现安全高效生产。

1 工作面条件

1.1 概况

1302工作面位于郭屯煤矿工业广场以西偏北，井下位于一采区轨道石门以北，是郭屯煤矿的首采工作面，四周均为实体煤。工作面地面标高为43.7～44.1m，工作面标高为－748.9～－811.9m，走向长平均540m，倾向长200m。该工作面开采3＃煤层，煤层赋存稳定，结构简单。开采范围内平均煤层厚度2.2m，局部含伪顶，伪顶为炭质泥岩，厚度0～1.5m，直接顶为中细砂岩，厚8.0m，下距三灰岩层约68.59m。煤层具有强冲击性，顶板具有弱冲击性。其顶底板岩性柱状图见图1。

1.2 生产技术条件

1302工作面采用综合机械化走向长壁后退式采煤法。采用MG550／1220－WD型交流电牵引双滚筒采煤机割煤，采煤机上（下）行割煤，往返一次割两刀，采高2.3m，采用全部垮落法管理顶板，循环进尺0.8m。采用端头割三角煤斜切进刀方式。

图1 顶底板岩性柱状图

1302综采工作面选用ZY8500／21／45型掩护式液压支架106架，两巷端头采用ZYT8800／21／45型掩护式端头液压支架各2架，ZYG8800／21／45型掩护式过渡液压支架各1架。

2 观测仪器及方法

2.1 测站布置

沿工作面斜长方向分为17个区域进行液压支架支护阻力监测，自运输巷向回风巷方向分别在3＃、9＃、16＃、22＃、29＃、36＃、43＃、50＃、57＃、64＃、71＃、78＃、85＃、93＃、99＃、106＃、112＃综采液压支架上安装17台支架压力实时监测分机，对综采支架初撑力、工作阻力进行实时监测。布置示意图见图2。

图2 测站布置示意图

超前支承压力分布的观测采用顶板动态法，在回风巷布置5台顶板动态仪，间距一般为5.0m，局部地段作适当调整。顶板破碎度统计观测采用全工作面监测方法，选取17个测点进行日常监测。

2.2 观测方法

（1）综采工作面液压支架支护阻力观测按移架循环进行，每循环观测1次。支架工作阻力用KJ－345矿用液压支架压力监测系统连续观测。

（2）在回风巷内采用基点法观测顶底板下沉量，巷道移近量观测仪器安装示意图如图3所示，每次观测均记录顶板动态仪至煤壁的距离，每2h测1次。当离工作面煤壁最近的顶板动态仪距离煤壁0m时，将该动态仪回撤，支设到巷道前方，与最前方动态仪的距离为5.0m，循环支设。

图3 巷道移近量观测仪器安装示意图

（3）采场支护质量与顶板动态统计观测。沿工作面方向，每隔10架进行端面顶板破碎情况观测，包括：煤壁片帮深度c、顶板冒落高度h、端面距b、顶梁第1接顶点距梁端距离a及顶板冒落宽度d等，见图4。工作面矿压观测使用仪器见表1。

图4 端面顶板破碎度观测示意图

表1 矿压观测仪器

3 观测结果分析

3.1 直接顶初次垮落

1302综采面采用伪斜开采布置，当1302综采面推进到距切眼9m时，95＃～100＃架（断层破碎带处）后方直接顶冒落，其他支架处，推进到距切眼大约11m时，直接顶的初次垮落由工作面下部开始，然后依次为工作面中部、上部顺序垮落。结合现场实际观测和支架压力显现可以得到直接顶的初次垮落步距平均为13.6m，最大为15.9m，采空区内岩石冒落充分，直接顶板具有一定的稳定性。

3.2 老顶初次来压

当工作面下端推进到54.6m、上端推进到26.5m时，顶板活动趋于剧烈，支架压力增阻速率显著增大，部分支架安全阀开启，煤壁出现较大范围的片帮，片帮深度最大达到1.0m，说明此时老顶开始断裂。工作面中下部首先来压，然后向两端发展，由于1302综采工作面推进速度较慢，老顶持续来压时间3d左右。来压期间没有发生冒顶事故，片帮深度平均为710mm，工作面正常推进。

顶板断裂过程中支承压力显现压缩和反弹现象，来压前回风巷移近速度明显增大，形成一个高峰阶段，煤壁前方4m、7m点在压缩后出现明显的反弹段，表明此时老顶在煤壁前方断裂，随后巷道顶底板移近速度开始明显增大，进入来压阶段。

由此断定，根据矿压知识，加上8m的开切眼宽度，1302工作面的老顶初次来压步距为：L0＝（54.6＋26.5）／2＋8＝48.5m。

3.3 老顶周期来压

老顶初次来压以后，顶板活动又趋于平稳，随着工作面的继续推进，支架压力开始出现周期性变化。通过对9个支架压力分站的数据分析统计，得到3个周期来压参数并进行分析。

工作面下端推进到77.5m、上端推进到74.5 m时，工作面继初次来压后矿压显现再次明显剧烈，液压支架工作阻力增大，煤壁片帮范围及深度增大，片帮时伴有响声。煤壁前方固定点移近速度出现周期性的“压缩—反弹—压缩”现象。由此可以断定，老顶发生了第一次周期来压，其来压步距为L1＝35.4m。

当工作面下端推进到95.8m、上端推进到91m时，老顶出现第二次周期来压，来压步距L2＝17.4m；当工作面下端推进到121m、上端推进到107m时，工作面出现第三次周期来压，来压步距L3＝20.6m。分析以上结果得出周期来压步距为17.4～35.4m，平均为24.5m。

煤壁前方固定点移近速度在整个观测期间工作面推进方向上的变化情况见图5。由此可见，顶板周期来压前的端部断裂，在煤壁前方形成明显的压缩现象，在断裂处前方能够捕捉到反弹信息，周期来压前兆为1个压缩反弹段。

图5 煤壁前方固定点移近速度在推进过程中的变化曲线

4 支架工作状态分析

通过对支架的初撑力P0和循环末工作阻力Pm的统计分析，考察液压支架的工作状态。

4.1 支架初撑力P0

实测支架初撑力在观测期间平均值为25.1 MPa，支架设计初撑力为30MPa，为该支架额定初撑力的83.7%，来压期间支架初撑力平均为25.7MPa，占支架额定初撑力的85.7%。初撑力分布见表2。

表2 初撑力（P0）频率分布表

由表2可以看出，24～28MPa的初撑力占63.6%，24～30MPa的占79.1%，这说明工作面支架整体初撑力较高。由于支架初撑力发挥较好，工作面开采期间直接顶没有出现离层现象，煤壁片帮在来压期间明显显现，没有出现端面顶板破碎漏顶现象，也未出现支架明显下滑和倒架现象。初撑力对顶板起到及时支护作用，控制住了顶板的早期离层，起到及时护顶作用。

但是支架初撑力在0～20MPa的占5%，说明有一部分支架初撑力太低。初撑力过低致使工作阻力也难以增加上去，容易造成支架受力不均，压力大时容易造成支架损坏，对工作面整体支护效果不利。所以应加强初撑力注液质量管理，使支架初撑力尽可能大于24MPa。分析认为部分支架初撑力偏低主要有以下两个原因：部分支架管理不力，存在漏液现象；升柱时注液时间较短。总体来说支架初撑力满足要求。

4.2 工作阻力Pm

在观测期间实测支架工作阻力平均值为35.2MPa，支架设计工作阻力为45MPa，为该支架额定工作阻力的78.2%，来压期间支架工作阻力为39.8MPa，占额定工作阻力的88.4%。工作阻力分布见表3。

表3 工作阻力（Pm）频率分布表

由表3可知26.0～38.0MPa的工作阻力占51.2%；有近55.7%的工作阻力大于34.0MPa；工作阻力在30.0MPa以上的占76.3%以上。从实测平均工作阻力和分布特征来看，支架工作阻力的大小及分布与支架的额定工作阻力相比，其工作阻力的有效发挥程度较高，只有很少数支架的安全阀没有开启，支架整体处于理想工作状态。

4.3 支架支护强度分析

一般采场支架对老顶采取“给定变形”工作方案，也就是说支架可以不承担其作用力，故两者在相互作用的动态过程中不存在力学平衡关系，不能用实测的支架阻力反算老顶的厚度，在确定顶板支护强度时可以不考虑老顶厚度的影响。

对于支架的合理支护强度，采用顶板岩重法进行计算，计算如下：

式中：Pt——工作面合理的支护强度；

K——支架上方顶板厚度系数，取8倍采高岩层厚度；

H——工作面采高，取平均值3.5m；

γ——顶板岩石容重，取2.6t／m3；

g——重力加速度，取9.8m／s2。

将以上取值代入式（1）得：Pt＝713.44（kN／m2）。工作面支护强度应大于713.44kN／m2，即0.713MPa，而ZY8500／21／45型掩护式液压支架的支护强度为1.0～1.05MPa，满足工作面支护要求。

5 工作面冲击地压监测

1302工作面具有冲击地压危险性，应对其进行冲击地压监测，并采用顶板动态监测、应力监测、钻屑法监测、便携式电磁辐射监测相结合的综合监测方法。

（1）顶板动态监测数据分析。1302工作面回风巷顶底板循环移近量平均为48.8mm，最大为74.5mm，最大移近速度为15.5mm／d。

（2）工作面钻屑法检测结果。煤粉量平均为2.37kg／m，最大为2.9kg／m，没有出现煤粉量超标且钻进过程中没有出现异常动力现象。

（3）初次来压期间1302工作面运输巷距煤壁20～50m处，外帮肩窝处多处钢筋铁被拉断，帮部变形严重，之后运输巷距煤壁50～70m处，顶板明显下沉，锚杆、锚索受力增大，锚杆、锚索底盘、W钢带严重变形，以后顶板持续下沉继续加大，有引发冲击地压的可能，应加强卸压处理和巷道支护。

综上分析，观测期间，1302工作面冲击地压危险性较低。

6 结论

通过矿压规律观测及冲击地压监测期间数据分析，得出以下结论：

（1）1302综采工作面直接顶初次跨落步距为13.6m，老顶初次来压步距为48.5m，周期来压步距平均为24.5m，来压显现明显。

（2）工作面支架初撑力频率基本呈正态分布，支架整体初撑力较高，有效支护了工作面顶板，工作阻力发挥程度较高，对控制顶板具有可靠保障，支架整体工作状态良好。

（3）所选用的液压支架很好地满足了工作面的支护要求，能够适应1302工作面的顶底板条件，使支架工作阻力得到有效发挥，支架选型和工作阻力大小符合煤层条件。

（4）实际观测发现支架密封垫损坏比较严重，造成部分支架卸压，对工作面安全生产不利，建议提高密封垫质量。

（5）实际观测表明，在开采1302首采工作面时，工作面内发生冲击地压的可能性较小。冲击地压与顶板来压有密切的关系。因此，预测工作面的压力显现规律和程度，对于防治冲击地压具有重要的指导意义。

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Field observation and research of strata behavior law in first mining face in high ground－pressure mine

Li Xiang，Ma Wa，Li Hongyou，Su Guihu
（Guotun Coal Mine，Heze Coal Electricity Company of Shandong Luneng Group，Yuncheng，Shandong 274700，China）

The phenomenon of rock burst has appeared in 1302fully mechanized working face which is the first mining face in Guotun coal mine with high ground pressure.In order to ensure the safe mining in high ground－pressure mine，it＇s necessary to monitor and analyze the strata behavior law and rock burst phenomenon，so as to evaluate the support applicability under high ground－pressure condition and prevent the rock burst effectively.Field test and analysis show that the first weighting interval of the face is 48.5mand the periodic weighting interval is 24.5m.And the possibility of rock burst occurring is very little during the mining of 1302first working face.

rock burst，first mining face，strata behaviors，working resistance of support

TD324

A

李想（1985－），男，汉族，江苏徐州人，助理工程师，毕业于中国矿业大学采矿工程专业，主要从事煤矿现场管理和生产技术工作。

（责任编辑 张毅玲）