“两硬”围岩工作面矿压显现规律分析

陈德良

（同煤集团 矿井建设管理处，山西 大同037103）

1 工作面概况

同煤集团同发东周窑煤业有限公司13306工作面开采石炭系太原组5＃煤层，煤层倾角2°～4°，煤层平均厚度为8.5m，中间有1～8层夹石，最大为1.95m，最小为0.09m，岩性多为砂质泥岩、炭质泥岩，次为粘土质泥岩、泥岩。两条顺槽巷有煌斑岩不同程度侵入，工作面煤层整体呈一单斜构造，切巷处头高尾低、头尾高差5.6m。老顶为含砾粗砂岩，厚度9.17m（3.51～12.53）；直接顶为粗砂岩，厚度5.87m（0.63～9.20）；直接底为细砂岩，厚度3.97m（3.04～4.77）；老底为砂质泥岩互层，厚度2.71m（2.10～3.40）。工作面采用单一走向长壁后退式放顶煤综合机械化采煤法，用SL－500型采煤机落煤、装煤，PF6／1142型前刮板运输机、PF6／1342型后刮板运输机运煤，ZF13000／25／38型支撑掩护式放顶煤液压支架支护顶板，平均采放高为8.5m，循环进度为0.8m，采用自然跨落法管理采空区顶板。

2 采场支承压力分布规律分析

1.1 采场支承压力观测方案

采场超前支承压力和侧向支承压力是工作面巷道布置、采场及巷道围岩控制的依据。为掌握13306工作面回采巷道支承压力分布情况，在13306上下巷分别超前30m及50m内的单体液压支柱上每隔2m设置一组矿用单体液压支柱数字压力循环监测仪，用于连续监测测定单体液压支柱工作阻力变化情况，每隔2m一组；煤体应力监测使用的ZYJ－25型钻孔应力计型布置133061下巷超前工作面前方50m、60m处。布置分为10个测点，监测仪器布置见图1。

图1 监测仪器设备布置

1.2 工作面超前支承压力分布研究

（1）巷道超前单体液压支柱荷载变化分析

通过手持采集器采集超前单体柱上安装的矿用单体数字压力循环监测仪数据。对监测到的数据进行统计分析，分析结果见图2。

图2 工作面超前单体液压支柱载荷变化

由图2分析可知：受老顶周期来压影响，老顶悬梁以支架为支撑点，后方断裂后，集中应力向前传递。单体液压支柱载荷在工作面前方5m处达到最大值，133061、133062巷分别为23.3MPa和24.8MPa。5～25m范围内，单体液压支柱载荷逐渐下降为15MPa，下降过程较快，25～45m内，单体液压支柱载荷下降缓慢，由15MPa下降到6MPa，工作面前方45m外基本不受工作面采动影响。

（2）超前应力监测分析

依据超前钻孔应力计读取的数据，整理分析结果见图3。

图3 超前钻孔应力变化曲线

由图3可知：在工作面推进过程中，工作面超前支承压力的影响在0～38m范围内，其中在工作面前6m处，支承压力最大，其值为26.5MPa；原岩应力以17.85MPa计算，应力集中系数约为1.48。

（3）侧向支承压力分布分析

利用线性插值法，对侧向钻孔支承压力进行分析，得出煤柱侧侧向超前支承压力曲线（见图4）。

图4 侧向支承压力分布曲线

分析图4可知，受巷道开挖及采场支承压力影响，煤柱侧向支承压力可分为5个区域，即：0～7m为煤体边缘卸载区；7～12m为支承压力上升区；12～18m为支承压力峰值区；18～28m为支承压力下降区，28m以外为原岩应力区。工作面侧向支承压力的影响范围为28m，侧向支承压力值在工作面前方14m处最大，其峰值为24.8 MPa。

3 工作面矿压监测数据分析

13306薄煤层工作面采用山东尤洛卡在线矿压监测设备进行矿压数据的采集（设备布置示意见图5），工作面共布置上部、中部、下部三个测区。本工作面共有支架100架，其中ZY4400／10／23型液压支架6架，ZY4000／09／19D型液压支架94架。最大控顶距为4600mm，最小控顶距为4000mm，端面距为400mm。

图5 13306工作面矿压监测设备布置

3.1 工作面初次矿压显现规律

根据13306工作面现场观测结果，该面直接顶初次垮落时，工作面总进尺为机头7.2m，机尾10.8m，平均9m，支架工作阻力普遍增大，部分支架出现压力增高又回落现象，同时，30＃～90＃支架出现顶板变软的现象，7＃～60＃、61＃～90＃、91＃～99＃支架顶板破碎，通过机尾架后观测采空区，证实为直接顶初次垮落，垮落程度不均，但以中下部垮落较多，范围较大，两端较少。直接顶垮落持续了4天，期间推进5m，直接顶垮落过程中，中下部（机尾为下）支架增阻较明显，垮落后支架阻力回落，顶板破碎，其它支架有增阻，并出现顶板破碎现象。

3.2 工作面周期来压特征

工作面初次来压后，工作面开始正常回采，依据砌体梁理论，老顶在覆岩载荷的作用下岩梁弯曲应力逐渐增大，回转下沉变形趋于显著，直至受载岩梁的拉应力大于老顶的抗拉强度时，就会进入经历“失稳－平衡”周期性变化过程。现依据矿压实际监测数据分析13306工作面的周期来压规律，其具体特征见表1。

表1 基本顶历次来压期间动载系数统计

综合分析表2可以得出：

1）支架末阻力最大值平均为3192kN，占额定工作阻力4000kN的80%，说明支架工作状态良好，选型合理。

2）13306工作面的上部、中部、下部的老顶平均来压步距分别为17.6m、18.4m、17.5m，整个工作面的老顶平均周期来压步距为17.8m，工作面上下部老顶来压步距比中部偏小，两者基本一致。

3）13306工作面老顶周期来压动载系数平均1.26，动载系数偏低，因为工作面的顶底板较为坚硬，为方便工人作业，采高调整为1.5～1.8m，割取了部分直接顶，直接顶的完整性受到一定的破坏，直接顶随采随冒，没有出现大面积悬顶情况，支架受力不集中。

4 结语

1）13306工作面工作面超前支承压力的影响在0～38 m范围内，其中在工作面前6m处，支承压力最大，其值为26.5MPa，侧向支承压力影响范围28m，护巷煤柱留设30m较为合理。

2）13306工作面初次来压步距为26.8m，老顶周期来压步距平均17.8m，来压期间动载系数平均1.26，动载系数偏低，总体表现为老顶周期来压明显但不强烈。

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