深部开采工作面矿压监测方法及监测设备适用性研究

刘志刚， 汪 栋， 李锦秀

(1.山东能源淄矿集团唐口煤业， 山东 济宁 272055； 2.山东煤炭技术学院， 山东 淄博 255120)

顶板管理是采煤工作面回采工艺的关键问题[1]，通过众多科研学者和现场工程技术人员的不懈努力，多数情况下的顶板均取得了较好控制效果.随着近几年深部矿井的建设和生产，很多异于常规矿压规律的现场问题逐步显现[2]，原有顶板控制技术在这类条件下显得不尽人意.为了更好的了解工作面压力显现情况，达到掌握顶板活动规律，及时预报顶板来压变化，加强工作面顶板管理的目的[3]，需要对深部矿井矿压规律进行观测研究.

矿山压力监测技术内容包括工作面综采支架工作压力，两顺槽巷道围岩和顶板压力、位移变形等基本参数的监测[4].矿压监测的意义主要体现在以下几个方面[4]：(1)实时在线监测可以便于技术人员、生产管理人员实时了解当前井下工作面的支护质量、工况、动力灾害显现预警等信息；(2)工程技术人员与管理人员利用这些监测数据对顶板来压规律、围岩顶板变形规律、动力灾害显现规律等开展灾害预测预报；(3)建立监测数据信息档案，为工程技术管理与学术研究积累经验[1].本文主要结合某矿5302辅助工作面矿压监测相关信息及设备使用情况，对深部煤层回采工作面压力异常区域矿压规律及矿压监测设备的现场适用性进行初步研究.

1 工作面概况

5302辅助工作面煤层底板标高-958.2m～-895.3m，工作面胶带顺槽与南部胶带大巷相连，轨道顺槽与5302第一联络巷相连；西北为5302工作面里段采空区，东北115m为5301工作面采空区，东南为南部大巷保护煤柱，西南部为未开拓的实碳区.工作面回采煤层为3上煤，黑色，条痕黑褐色，以亮煤为主，暗煤次之，属于半亮型煤，油脂～玻璃光泽，阶梯状断口.该煤种属气煤，其硬度为2～3.根据巷道实际揭露资料，该工作面3上煤层沉积较稳定，全部可采，厚度在2.80～5.50m之间，平均厚4.71m.5302辅助工作面倾斜长度80m，走向可采长度785m，该工作面上方没有可采煤层，下方3下煤全部冲刷或沉缺.所回采的3上煤层倾角在0°～15°之间，平均倾角6°，倾向70°左右.

工作面支护选用48架ZY10000/26/55型掩护式液压支架，支护强度1.14～1.22MPa，工作面最小控顶距为4247mm，最大控顶距为5047mm.通过理论计算，结合同采区5301工作面支架使用情况，可知该支架能够满足工作面顶板管理支护强度需要.轨道顺槽与皮带顺槽超前支护长度60m，采用DW4.5-200/110XL型单体液压支柱配合铰接顶梁进行支护.

2 监测仪器选用及安装

为了准确摸清工作面矿压分布规律及变化规律，有效监测工作面支架荷载、顺槽巷道顶板离层及工作面前方煤岩应力情况，本工作面计划选用下述监测系统开展监测工作[5-6].

2.1 工作面支架载荷监测设备

采用KJ216型综采支架工作阻力在线监测系统自动监测工作面支架载荷，在线监测系统实时对实施监测的支架前、后柱进行载荷监测，监测数据自动传输到地面各终端供技术人员分析处理.工作面液压支架共安设7台监测分机，并将工作面划分为3个监测区，其中2#、8#支架为上部监测区，16#、24#、32#支架为中部监测区，40#、48#支架为下部监测区.根据支架在线监测系统监测数据规律对工作面顶板来压情况进行全面预报分析.

2.2 顺槽巷道顶板离层监测设备

在顺槽巷道预计会出现较大离层的区域安装KJ216型顶板离层监测系统，共安设2台顶板离层仪(浅基点深度4m，深基点深度9m)，第1台编号61#，位于轨道顺槽距面100m处顶板中，第2台编号62#，位于5302-2断层向面30m处顶板中.利用顶板离层报警系统观测轨道顺槽巷道顶板变化情况，并将监测结果通过在线监测系统传输至地面终端进行分析处理.

2.3 煤岩应力监测设备

根据5302辅助工作面的特点及构造特征，选用KJ550在线监测系统布置情况，压力传感器在两顺槽内自切眼前方40米开始布置，每25m一组，每组两个，埋设深度分别为10m、15m，每组两个测点间距1m.具体布置方案如图1所示.

图1 工作面应力计位置示意图

根据5301工作面推采时KJ550在线监测预警值设置情况，5302辅助工作面的初始预警值设置见表1.

表1 初始预警值设置

3 监测结果分析

运用各系统对5302辅助工作面进行了详细矿压监测，得到了大量现场监测数据.工作面2013年1月25日前后有一次压力异常现象，现对5302辅助工作面回采期间异常动力显现期间各系统监测情况开展初步分析研究.

3.1 工作面支架载荷监测数据分析

此次异常动力现象期间，工作面KJ216型综采支架工作阻力在线监测系统多个测点监测到支架压力水平较高的情况，此处列举几个较为特殊的支架作为分析实例.

图2至图4为工作面1月22日至1月31日8#、24#、32#支架工作阻力情况.通过分析上述支架压力曲线可知，5302辅助工作面综采支架工作阻力值普遍较高，个别支架工作阻力甚至一度达到40MPa，说明工作面位置顶板压力较大，支架整体受力水平较高.

图28#支架1月21日至28日工作阻力曲线

图324#支架1月21日至28日工作阻力曲线

图432#支架1月21日至28日工作阻力曲线

通过上述分析可知，异常动压显现期间，工作面并非处于周期来压阶段，而是处于异常来压阶段，顶板的异常来压是此次动压显现的重要诱发因素之一.

3.2 顺槽巷道顶板离层监测数据分析

5302辅助工作面2013年1月25日前后压力异常期间，工作面距离61#顶板离层仪50m左右，距离62#顶板离层仪130m左右.图5、图6为前后两台顶板离层仪数据曲线，从图中可以看出62#在异常来压期间提出顶板离层报警(报警值100mm)，现场勘查显示顶板有较大下沉量.

图561#顶板离层仪数据曲线图

图662#顶板离层仪数据曲线图

3.3 煤岩应力监测数据分析

5302辅助工作面压力异常期间，应力在线系统在压力异常的相应位置监测到红色预警，经煤粉检测人员现场施工煤粉钻，检测到煤粉量均超标，钻屑法校验了应力在线监测系统的监测效果.

图7为1月20日当天轨顺内应力在线监测系统显示的异常应力云图，第9测组深孔应力较高，显示红色预警.

图8为1月13日开始，距工作面135m的轨顺第9测组应力变化曲线图.其中深孔(15m深)应力从1月13日开始显著上升；1月21日，当距工作面26m时，第9测组深孔应力达到峰值，约18MPa；解危工程实施之后煤体应力又逐渐降低.上述情况可看出工作面前方煤体因受采动应力影响处于较高应力水平.

图7 1月20日轨顺应力在线监测异常云图

图8轨顺应力在线监测第九组应力曲线图

4 采场两巷道解危卸压工程情况

依靠监测系统监测结果及现场工程技术人员分析，决定在5302辅助工作面采用大直径钻孔卸压、爆破解危、煤层注水卸压等方法对压力异常区域进行解危卸压，并取得良好效果.

4.1 大直径钻孔卸压

1月21至2月2日，在5302轨道顺槽应力集中区施工大直径卸压钻孔45个，其中生产帮39个，非生产帮6个，钻孔间距2～3m，钻孔深度大于15m.大直径钻孔施工过程中煤炮频繁，钻孔排粉量大，有严重吸钻、卡钻现象，每班仅能施工1个大直径钻孔.

4.2 爆破解危

1月21日至1月28日，对监测到煤粉量超标的部分钻孔进行了爆破解危，共爆破12个钻孔，其中轨道顺槽生产帮爆破10个钻孔，5302皮带顺槽爆破2个钻孔，以爆破解危后，煤粉量不再超标，解危效果比较明显.

4.3 煤层注水卸压

截止2月2日，5302辅助工作面共施工注水钻孔16个，共计注水670m3，煤层注水对于改善煤层力场分布，软化煤层，降低应力集中起到积极作用.

5 结束语

(1)根据工作面现场情况预估工作面压力分布范围，并按照实际需要合理选用监测系统.

(2)运用各系统对工作面各项参数进行监测，各系统均在工作面压力异常期间显示预警，可见各系统运行情况良好，而且对于异常情况能够及时作出反应.

(3)运用各监测系统基本摸清了该工作面的超前应力分布规律，支架载荷最大时达到40MPa以上，巷道超前支护段顶板离层量达到200mm以上，超前应力最高值达到18MPa左右.

(4)根据监测系统对工作面的监测结果及现场情况，及时在压力异常期间采取了大直径钻孔卸压、爆破解危、煤层注水卸压等解危卸压措施，对高应力的深部转移及保护作业空间安全起到积极效果.

(5)各系统运行情况表明，在深部煤层回采工作面矿压规律研究、灾害预测预报及指导现场工程的设备适用性良好，可以满足相关需求.

(6)通过对监测结果的分析，可以为本矿井相似工作面超前支护的设计提供一定参考，有效避免灾害的发生.

[1]宋振骐.实用矿山压力控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,1988.

[2]耿献文.矿山压力测控技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2002.

[3]陈炎光，钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,1994.

[4]邹德蕴,刘志刚,姚树阳.采场矿压监测与数据信息融合技术应用研究[J].煤炭科学技术,2011(08):14-18.

[5]刘志刚,邹德蕴,李锦秀,等. KDZD型冲击地压声发射信号监测系统及应用[J].煤,2011(03):19-21.

[6]刘志刚.基于声发射原理的冲击地压监测装备研究及应用[D].青岛：山东科技大学,2011.