沿空留巷综采工作面矿压显现规律研究

赵 森

(晋城煤业集团沁秀公司坪上煤业，山西 晋城 048203)

1 XV4307工作面概况及地质情况

1.1 工作面概况

晋城煤业集团凤凰山矿XV4307工作面采掘情况:东为三水平四盘区回风巷、皮带巷及轨道巷(均已掘)，南为154309工作面，西为矿界，北为154305工作面(已采)。上覆9#煤为95311、95313工作面及小窑采空区。

工作面所采煤层为15#煤，一次采全高，工作面倾斜长176.4 m，走向长度783.4 m，煤层厚度1.70 ～3.10 m，平均厚度2.13 m。工作面布置3条顺槽，采用二进一回通风方式，支护方式均为锚杆支护，锚索、钢带补强支护，并且为了防止在开采过程中形成大面积悬顶，矿压显现压垮工作面，该工作面采取了超前深孔预裂爆破的方法。

1.2 地质情况

盖山厚度:工作面地面标高为790.9～826.5 m，工作面标高为577～663 m。盖山厚度为160～252 m，平均200 m。

煤层构造特征:煤层为15#煤层，黑色，亮煤为主，团块状，含1层0.45 m较稳定厚夹矸。煤层普氏硬度2～4，夹矸普氏硬度1～2，煤层倾角0～18°，平均倾角6°，煤体容重1.5 t/m3。该工作面由一向斜和一背斜组成，其中背斜轴向N7°E，倾伏SE，两翼倾角0°～6°，平均4°;向斜轴向 N12°W，倾伏 NW，两翼倾角0°～25°，平均8°，对回采有一定影响。

1.3 采煤方法

该工作面采用倾斜长壁一次采全高后退式综合机械化采煤法。轨道巷采用混凝土膏体材料充填沿空留巷，其余采空区顶板采用自然垮落法管理。

1.4 顶板管理

工作面支架布置形式:本工作面采用2架ZT16000—16/30型端头支架支护端头顶板，采用ZZ8000－17/32型支架116架支护工作面顶板，采用ZT9500/20/30型端头支架支护沿空留巷端头。

2 矿压观测内容

2.1 工作面

观测工作面综采支架工作阻力随工作面推进的变化，分析工作面直接顶(老顶)初次垮落步距、老顶初次来压及周期来压的特征、显现程度、动载系数;分析顶板活动状况及支护阻力变化规律;分析断层构造对采场矿压显现的影响规律;分析现行实际支架阻力分布状态，包括支架工作阻力、初撑力是否满足顶板支护要求等，为现有支架适应性分析提供科学的现场实测依据。

2.2 沿空留巷

巷道表面位移、围岩深部位移、巷道顶板压力观测、充填墙体受力观测。

3 观测仪器布置方式

3.1 工作面观测仪器布置

工作面矿压观测采用KJ216综采工作面顶板动态实时在线监测计算机系统，工作面布置3个测区，分别布置在工作面上部、中部、下部，见图1。

图1 KJ216顶板动态监测系统设备布置图

3.2 沿空留巷仪器布置

3.2.1 综合测站

在工作面后方采空区0～320 m范围内每隔20 m布置1个巷道表面位移测点(共布置16个)，其中:每隔60 m布置1个综合测站(共布置5个)，见图2。

3.2.2 综合测站观测方法

1)表面位移观测方法:首先观测AO的顶板下沉量，然后观测OB的底板底鼓量，再观测CO的煤体帮变形量，最后观测CD墙体帮变形量，见图3。

2)巷道顶板压力观测:在沿空留巷320 m处布置单体连续监测记录仪，对留巷顶板压力进行监测，见图4。

图2 XV4307工作面沿空留巷测站布置图

4 矿压观测数据分析

4.1 工作面

通过矿压观测数据分析，工作面直接顶(老顶)断裂后，断裂岩块A、B、C之间相互挤压、支撑可以形成暂时的力学平衡结构，此结构随着工作面的推进周期性平衡－失稳－再平衡。在此过程中，断裂后的B岩块将逐步发生下沉运动，在下沉过程中受A、C岩块的水平挤压和工作面支架的支撑，在工作面回采周期内可达到暂时的平衡，直至接触采空区矸石。该结构周期性的变化会对工作面支架形成载荷，见图5。

图5 上覆岩层活动模型示意图

4.1.1 支架工作阻力随工作面推进距离变化关系

实测工作面支架工作阻力随工作面推进距离变化，XV4307工作面直接顶(老顶)初次来压及前5次周期来压情况见表1。

表1 顶板来压步距及强度数据整理表

4.1.2 顶底板移近量

现场观测表明，工作面割煤循环内没有出现底鼓现象，因此，可用顶板下沉量表示顶底板移近量，见图6。

图6 工作面顶板移近量曲线图

从图6可以看出，工作面(循环)顶板下沉量最小为61 mm，最大为82.2 mm，平均73.72 mm。

4.2 沿空留巷

巷道表面位移观测数据统计见表2。

根据沿空留巷安装的KBJ60－Ⅲ单体连续记录仪监测数据统计分析表明，沿空留巷160 m处煤体侧单体最大工作阻力114 kN，巷道中间单体最大工作阻力288.32 kN，巷道墙体侧单体最大工作阻力266 kN，说明煤柱侧、墙体侧单体支撑效果不明显，主要原因是:由于巷道底板松软单体钻底严重，使得单体支撑效果不明显。沿空留巷320 m处单体采用穿柱鞋以后，巷道中间单体最大工作阻力达到268.28 kN，墙体侧单体最大工作阻力达到567.72 kN，表明单体使用柱鞋后，支护强度明显提高。

表2 巷道表面位移变化速度统计表

5 老顶来压规律

5.1 老顶初次来压步距

根据工作面支架工作阻力监测数据分析，工作面老顶初次来压步距为30.1 m，影响时间42 h，影响范围5.45 m，来压期间支架最大工作阻力为6700 kN，动载系数 1.77。

5.2 老顶周期来压步距

1)根据工作面支架工作阻力监测数据分析，工作面平均周期来压步距13.92 m，影响时间10.02 h，影响范围1.7 m，来压期间支架最大平均工作阻力为6576.02 kN，动载系数1.27。

2)老顶周期来压时，工作面机头1#～10#架悬顶2～8 m，中部20#～100#架悬顶1.5～6 m 左右，机尾至105#架悬顶2～6 m，见图7。

图7 工作面悬顶观测剖面图

6 结论

1)XV4308综采工作面无论是老顶初次来压，还是老顶周期性来压，沿工作面方向并不是同时来压，而是呈现分段局部来压、迁移特征。

2)工作面巨厚顶板弱化处理后，老顶初次来压步距平均30.1 m，影响时间42 h，影响范围5.45 m，来压期间支架最大工作阻力为6700 kN，非来压期间支架工作阻力3785 kN，动载系数1.77。

3)工作面周期来压步距平均13.92 m，影响时间平均10.02 h，影响范围平均1.7 m，来压期间支架最大平均工作阻力为6576.02 kN，非周期来压期间支架平均工作阻力 5201.23 kN，支架动载系数平均 1.27。

4)观测期内，工作面液压支架工况良好，支架各部件没有出现折损现象，供液系统正常，支架初撑和工作阻力满足工作面顶板支护要求，没有出现大马拉小车现象。

5)沿空留巷在巷道底板松软的情况下，必须采用穿柱鞋的方法来增大单体柱底的承压面积，使得单体承压强度得到有效提高，这样才能确保对巷道顶板的有效支护，减轻墙体充填初期及在养护期间，受顶板压力的影响，保证墙体在凝固期间的强度，使墙体整体稳定性和完好性得到了提升。

［1］陈炎光，陆土良.中国煤矿巷道围岩控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1994:133－135.

［2］钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2003:97－99.