三软煤层工作面矿压显现规律实测研究

2014-12-13孙平勇李洪彪

江西煤炭科技 2014年3期

孙平勇，李洪彪

（中国平煤神马能源化工集团梨园矿，河南汝州 467500）

宁庄井是中平能化集团梨园矿下属的生产矿井，于2010年9月正式投产，主要生产系统按年产80万吨装备。该井达到标准化矿井的标准，并于2012年通过省五优矿井的验收。现宁庄井所采煤层为山西组二1 煤层，井田范围内地质条件复杂，煤层厚度变化较大，煤质松软，极易破碎。煤层顶板为节理裂隙发育程度较高的灰黑色炭质泥岩、灰黑色泥岩和深灰色砂质泥岩；底板为泥岩、砂质泥岩；煤层强度较低，所采煤层整体属于“三软”煤层。在工作面回采期间，采场端头冒漏严重、煤壁极易片帮，给工作面的回采工作带来了一系列问题。以该井21090 工作面为例，研究三软煤层工作面矿压显现规律，以期为工作面安全回采提供指导。

1 工作面概况

21090工作面位于宁庄井东一下山采区首采工作面，工作面东部为村庄保护煤柱、北部为实体煤，南邻21070工作面、西部为该采区3条下山。该工作面范围内煤层厚2.5～5.7m，均厚为3.5m；煤层倾角为17°～26°，平均为23°；设计可采走向长960m，采长122m，伪斜长8～11m。该工作面伪顶为黑色粉末状炭质泥岩；直接顶为含少量云母和砂质的浅灰色～灰黑色泥岩；基本顶为夹有薄层泥岩的黑色砂质泥岩；直接底为深灰色砂质泥岩；基本底为含黑色矿物及白云母碎片的灰色细砂岩。工作面采用“一进一回”通风方式，采场装备ZY-4000／17／37 型液压支架81台，该型支架额定工作阻力为4000kN，初撑力为3090 kN。

2 矿压观测及结果分析

2.1 观测方案设计

采场液压支架载荷变化能够直接反应顶板来压步距、来压强度、动载系数等矿压显现特征和支架适应性〔1-3〕。因此，可通过观测支架载荷来掌握工作面矿压显现规律。现将21090工作面分为上部、中部和下部，并分别布置1个测站，每个测站布置2条或3条测线，每条测线对应1台液压支架，在该液压支架上安装1台KBJ-60III压力记录仪，记录仪采集的数据可通过数据采集器进行采集，工作面采场矿压观测站／线布置见图1。由图1可知，矿压观测线分别对应10＃、20＃、45＃、60＃、75＃、100＃和110＃架。观测时长以初次来压后，五次周期来压为准。为了更好地掌握工作面矿压显现特征，在正常回采过程中，进行煤壁片帮和活柱下缩量观测。

图1 21090采场矿压测站／测线布置

2.2 来压规律分析

2.2.1 顶板来压分析

（1）初次来压特征：工作面正式回采后，支架载荷随工作面推进逐渐增大，直接顶随采随冒，在机头和机尾部分始终存在2～3m 悬顶；当工作面推至16.5m 时，基本顶开始垮落，推至19.8 m 时，基本顶全部垮落，可知初次来压步距为16m。在垮落前支架平均工作阻力为2665kN，垮落时平均工作阻力为3842kN，动载系数为1.44。初次来压具体特征为：顶板垮落时有明显的顶板折断和冒落声响，支架载荷明显增大；煤壁片帮加剧，部分区域有大范围连续性片帮现象；支架端头处出现不同程度的冒漏，工作面中部更为明显。

（2）周期来压特征：将工作面支架所安装的KBJ-60III压力记录仪收集的数据进行统计分析，结合工作面推进距离、煤壁片帮情况和顶板冒漏、破碎情况可得21090工作面周期来压特征（见表1）。由表1可知，周期来压步距为10.8～13.4m，平均为12.12m；来压强度为38.9～40.4 MPa，平均为39.28 MPa；动载系数分布在1.66～1.71，平均为1.674；反映出了顶板来压较均匀、缓和，且强度较低，该型号液压支架能够满足顶板支护要求。

表1 21090工作面周期来压特征分析

2.2.2 支架载荷分析

在现场观测期间，来压前液压支架载荷呈现出前柱大于后柱，工作面中部稍大于两端的现象，来压时这种现象不明显，将KBJ-60III压力记录仪收集的数据进行统计分析（见表2）。由表2可知：观测期间，整个工作面最大工作阻力为4357kN，为额定工作阻力（4000kN）的108.9%；平均工作阻力为2396kN，为额定工作阻力的59.9%；平均初撑力为1528kN，为额定初撑力（3090kN）的49.4%；超出额定工作阻力现象较少，仅占统计次数的0.01%。由观可知，该工作面液压支架适应性较好，能够满足支护要求，最大支护阻力仅超过额定工作阻力357kN，可通过卸压避免支架受损。此外，工作面支架初撑力较低是采场支护的显著问题，对于破碎顶板而言不利于对顶板形成积极主动支护，易发生顶板离层、冒漏。

表2 21090工作面采场液压支架受力情况

2.2.3 宏观观测

开采实践和理论研究认为，三软煤层工作面煤壁极易出现片帮，且片帮程度随采高增加有加剧趋势〔4-5〕。21090综采工作面平均采高为3.5m，煤体强度较低，在回采过程中经常出现端头冒顶和大面积片帮现象，降低了开机率和回采率，给工作面的安全生产带来一系列严重隐患。通过近两个月的现场观测得出：在开采初期，煤壁片帮现象较少，且片帮程度较轻，呈现出断续性小范围片帮；随着工作面的进一步推进，煤壁片帮程度加剧，尤其是机头、机尾等支护弱区更容易出现片帮和端头顶板冒漏；在来压期间，煤壁片帮明显加剧，且往往伴随着端头顶板掉渣现象。据统计，在初次来压和周期来压期间，煤壁片帮率分别为65.2%和55.4%，片帮深度分别可达1.2m 和1.0m，片帮长度严重地带可延续25～30m。

运用标点法对工作面采场支架活柱下缩量进行记录，经分析后可知，整个工作面来压前活柱下缩量较小且变化较缓和，来压时活柱下缩量明显加大，且活柱下缩呈现出先快后慢的规律，与液压支架载荷变化相符，能够正确地反应采场来压特征和规律，距统计分析可得：所测支架活柱下缩量分布在1～13mm 范围内，平均为4.5mm，其中下缩量小于5mm 的支架占所测支架总数的72.3%，说明该型号支架适应性较好，能够对采场形成有效支护。

3 观测结果

1）由21090工作面矿压观测结果可得，工作面初次来压步距为16m，平均周期来压步距为12.12m。

2）在回采期间，工作面平均工作阻力较小，仅为2396 kN，为额定工作阻力的59.9%；支架初撑力普遍较低，平均初撑力为1528kN，为额定初撑力的49.4%，不利于对顶板形成有效支护；动载系数较小，平均为1.674；活柱下缩量较小，绝大部分小于5mm，平均为4.5mm；支架整体适应性良好，能够满足采场支护要求。

3）在初次来压和周期来压期间，工作面煤壁片帮有加剧现象，出现大范围连续性片帮现象；支护阻力超出额定工作阻力较小，仅占统计数的0.01%。