两侧实体煤侧向采动环境下工作面矿压显现实测

王清亮

(山西汾西矿业集团有限责任公司，山西 介休 032000)



·试验研究·

两侧实体煤侧向采动环境下工作面矿压显现实测

王清亮

(山西汾西矿业集团有限责任公司，山西 介休 032000)

为了确定某井田31303工作面在两侧采空区侧向采动环境下工作面设备的可靠性，通过现场监测矿压显现规律，监测了工作面在周期来压、显著运动、相对稳定几个步距，同时对工作面支架阻力进行观测，并观测了工作面宏观矿压显现情况，观测结果表明，工作面支架能够满足生产需求。

采空区；采动影响；矿压显现；支架阻力

侧向采动环境是指以工作面推进方向为基准方向，位于采煤工作面两侧煤层或岩层的存在状态。对于煤炭开采来讲，其存在状态主要包括采动与未采动两种。采动是指在煤层或岩层中开掘巷道或进行回采工作，其表现形式为形成采空区；未采动状态表现形式为煤岩体存在。

1 工程背景

某井田内含煤地层为侏罗系中统延安组，含有2、3、4、5、6五个煤组，含煤地层总厚度174.55～307.32 m/224.45 m. 31303工作面回采3-1煤层，该煤层位于侏罗系中下统延安组上部，属全区可采稳定煤层，是井田的主要可采煤层之一。煤层厚度5.45～7.15 m/6.14 m，埋深382.45～455.33 m/418.3 m，倾角1°～3°. 煤层厚度总体变化较小，局部有波状起伏，属于稳定偏较稳定煤层。工作面煤层上覆侏罗系中统直罗组隔水层，隔水性能良好，对工作面回采的影响较小，水文地质条件属于“简单”类型。井田内的断层延展长度不大，断距均小于或等于10 m，构造属简单类型。

31303大采高综采工作面为矿井开采的第一水平第二个工作面，煤层底板标高931.6～944.0 m，工作面推进长度4 227.92 m，宽300.58 m，工作面面积127.08万m2. 31303工作面开采的为近水平厚煤层，结合矿井开拓布置，31303工作面采用倾斜长壁后退式大采高一次采全高综合机械化采煤方法，采高5.53 m，采用自然垮落法管理采空区顶板。31303工作面煤层顶底板情况见表1. 31303工作面巷道布置平面图见图1.

表1 煤层顶底板情况表

图1 31303工作面巷道布置图

31303工作面顶板主要由砂质泥岩和中粒砂岩组成，强度中等；底板主要由泥岩、炭质泥岩组成，强度低，遇水易膨胀泥化，极易造成超前单体“钻底”等现象。正常推进时工作面留底煤护底，底煤厚度不超过0.5 m.

由图1可知，工作面自开切眼后至推进1 458 m阶段为两侧实体煤侧向采动环境，推进1 458 m后31303工作面回风顺槽即与第1个工作面31301工作面采空区相邻，为一侧采空区一侧实体煤侧向采动环境。区段煤柱宽度18 m.两侧实体煤侧向采动环境示意图见图2.

图2 两侧实体煤侧向采动环境示意图

2 工作面顶板运动步距实测

对6个监测部位处工作面正常推进阶段基本顶周期来压步距进行了分析和统计，在工作面推进505 m过程中，工作面经历了初次来压和26～30个完整周期来压。本次重点研究工作面顶板初次来压之后工作面正常推进阶段顶板运动步距。

2.1 周期来压步距

工作面6条测线部位处顶板周期来压步距统计见表2.

由表2可知：

1) 顶板周期来压步距平均值c=13.4～16.2 m/14.5 m，平均步距折合割煤刀数18～19刀。工作面下部顶板周期来压步距最大，为16.1 m；工作面上部顶板周期来压步距最小，为13.5 m.

表2 31303工作面顶板周期来压步距c统计表

2) 顶板周期来压步距均方差4.4～7.3 m/5.6 m. 工作面下部顶板周期来压步距均方差最大，为6.2～7.3 m/6.75 m；工作面上部顶板周期来压步距均方差最小，为4.4～4.7 m/4.65 m.

3) 工作面下部130#支架处顶板周期来压步距变化范围最大，为5.2～32.9 m，最大与最小步距相差27.7 m，均方差7.3 m，离散型最大；工作面上部44#支架处顶板周期来压步距变化范围最小，为5.8～21.5 m，最大与最小步距相差15.7 m，均方差4.4 m，离散型最小。

2.2 显著运动步距

工作面6条测线部位处顶板显著运动来压步距统计见表3.

表3 工作面6条测线部位顶板显著运动步距a统计表

由表3可知：

1) 顶板显著运动步距平均值a=6.5～8.4 m/7.6 m，a≈0.52c，约合割煤刀数9～10刀。工作面下部顶板显著运动步距最大，为8.25 m；工作面中部顶板显著运动步距最小，为6.55 m.

2) 顶板显著运动步距均方差3.2～4.7 m/3.8 m. 工作面下部顶板显著运动步距均方差最大，为4.4～4.7 m/4.55 m；工作面中部顶板显著运动步距均方差最小，为3.2～3.6 m/3.4 m.

3) 工作面下部130#支架处顶板显著运动步距变化范围最大，最大与最小步距相差16.4 m，均方差4.7 m，离散型最大；工作面上部45#支架处顶板显著运动步距变化最小，为2.9～15.1 m，最大值与最小值相差12.2 m，均方差3.6 m，离散型较小。

2.3 相对稳定步距

工作面6条测线部位处顶板相对稳定步距统计见表4.

表4 工作面6条测线部位顶板相对稳定步距b统计表

由表4可知：

1) 顶板相对稳定步距平均值b=5.2～7.8 m/6.8 m. 工作面下部顶板相对稳定步距最大，为7.75 m；工作面上部顶板相对稳定步距最小，为5.4 m.

2) 顶板相对稳定步距均方差2.7～4.7 m/3.8 m. 工作面中部顶板相对稳定步距均方差最大，为4.2～4.7 m/4.55 m；工作面上部顶板相对稳定步距均方差最小，为2.7～3.1 m/2.9 m.

3) 工作面中部86#支架处顶板相对稳定步距变化范围最大，为1.9～20.6 m，最大与最小步距相差18.7 m，均方差4.7 m，离散型最大；工作面上部45#支架处顶板相对稳定步距变化最小，为1.5～9.8 m，最大值与最小值相差8.3 m，均方差2.7 m，离散型最小。

3 工作面支架工作阻力分析

31303工作面基本支架采用郑州煤机集团ZYl2000/28/63型掩护式支架，额定工作阻力12 000 kN. 工作面最大控顶距5 940 mm，最小控顶距5 140 mm，支架中心距1 750 mm，立柱缸径400 mm，额定初撑力31.4 MPa(7 916 kN).

3.1 支架初撑力

工作面6条测线处支架初撑力及利用率统计见表5.

表5 31303工作面6条测线部位支架初撑力统计表

由表5可知：

1) 31303工作面支架初撑力统计均值4 521～5 468/5 101 kN，占额定初撑力的57.11%～69.07%/64.44%.

2) 初撑力均方差平均值1 370～2 007/1 689 kN，占实测初撑力平均值的33.10%，离散性偏大。

按照31303综采工作面作业规程规定，工作面支架初撑力应达到其额定初撑力的80%(6 333 kN)的管理目标要求，整个监测过程各支架62.37%～81.72%/74.52%工作循环的初撑力小于该规定值，且同一支架的工作循环初撑力存在明显且较大幅度的波动。支架实际初撑力利用率为57.11%～69.07%/64.44%，因此，工作面支架初撑力利用率偏低。

3.2 支架循环末阻力

6条测线处支架整架工作阻力统计见表6.

由表6可知：

1) 工作面支架循环末阻力均值7 666～8 443/8 120 kN，均未超出支架的额定工作阻力，占额定工作阻力的63.88%～70/36%/67.66%.

2) 工作面3个区域整架末阻力之比，上部∶中部∶下部=1.09∶1∶1.08. 工作面上部和下部支架循环末阻力大于工作面中部阻力平均值。支架整架工作阻力利用率仅63.880%/0～70.36%，平均67.66%，方差约为均值的0.30倍，表明整架工作阻力整体利用率不高。

3.3 顶板来压时支架压力

工作面顶板来压时6条测线部位支架工作阻力分布统计见表7.

表6 31303工作面6条测线部位支架工作阻力分布统计表

表7 工作面来压时支架工作阻力分布统计表

由表7可知：

1) 工作面顶板来压时，支架均值阻力10 224～10 429/10 334 kN，支架均值阻力占支架额定工作阻力的85.20%～86.91%/86.11%，此时支架工作阻力利用率较高。

2) 工作面顶板来压时，工作面支架均值压力近似相等，表明工作面面长方向各区域顶板压力来压强度差别不大。

3) 工作面顶板来压时，支架工作阻力均方差1 117～1 419 kN/1 305 kN，支架工作阻力均方差占支架实测均值阻力10.80%～13.73%/12.63%，整体波动不大。

整体而言，工作面支架额定工作阻力大于来压时支架工作阻力。统计过程中，除个别情况支架压力较大外，其余支架压力均正常。工作面所用支架满足工作面的正常生产。

3.4 顶板来压前支架压力

工作面顶板来压前6条测线部位支架工作阻力分布统计见表8.

表8 工作面来压前支架工作阻力分布统计表

由表8可知：

1) 工作面顶板来压前支架工作阻力5 695～6 846 kN/6 388 kN，占支架额定工作阻力47.46%～57.05%/53.23%，此时支架工作阻力利用率较低。

2) 工作面顶板来压前，工作面3个区域内支架工作阻力上部∶中部∶下部=1.14∶1∶1.16. 其中，工作面中部支架平均工作阻力最小，为5 813 kN；工作面上部和下部支架平均工作阻力基本相同，分别为6 616 kN和6 736 kN.

3) 工作面顶板来压前，支架工作阻力均方差1 287～1 933/1 567 kN，支架工作阻力均方差占支架实测均值阻力20.15%～30.26%/24.53%，整体波动较大。

3.5 支架动载系数

6个监测部位支架动载系数统计见表9.

表9 基本顶来压强度与动载系数间关系表

动载系数作为一项衡量基本顶来压强度的重要指标，只能定量地描述基本顶来压强度，在现场应用中，动载系数结合支架使用情况能够较准确地反映出基本顶来压强度。支架动载系数统计见表10.

表10 31303工作面支架动载系数分布统计表

由表10可知：

1) 支架动载系数平均值1.52～1.83/1.62，工作面基本顶来压属于“强烈”范畴。其中，86#支架动载系数最大为1.83，13l#支架动载系数最小为1.52.

2) 工作面支架各部均值动载系数之比，上部∶中部∶下部=1.02∶1.18∶1.其中，工作面中部基本顶来压最强烈，工作面上部和下部基本顶来压强度相当。

3) 工作面支架动载系数均方差0.00～0.06/0.03，支架动载系数围绕平均值小范围波动。

4 工作面宏观矿压显现情况

4.1 顶板冒落

对工作面推进过程中顶板冒落情况进行了41次统计，统计情况见表11.

表11 31303工作面顶板冒落情况统计表

由表11可知：

1) 工作面顶板平均冒落宽度434～478 mm/架/452 mm/架。其中，工作面中部冒顶严重，平均478 mm/架：工作面上部和下部较轻。

2) 工作面顶板平均冒落高度61～76 mm/68 mm. 其中，工作面中部冒顶严重，平均76 mm；工作面下部较轻，平均61 mm.

4.2 煤壁片帮

对31303工作面进行了38次片帮测量统计，统计情况见表12.

表12 31303工作面片帮情况统计表

由表12可知：

1) 工作面进入周期来压阶段后，工作面煤壁片帮值开始逐步增大，最大片帮值可达1 000 mm，平均片帮值109 mm.

2) 工作面3个区域煤壁片帮96～122 mm，平均片帮值109 mm；工作面中部煤壁片帮最严重，平均122 mm；上部煤壁片帮程度较轻，平均96 mm. 但工作面整体片帮不大，在可控范围之内。

5 结 论

在工作面正常生产过程中支架整架均值阻力占支架额定工作阻力的85.20%～86.91%/86.11%，此时支架工作阻力利用率较高。工作面顶板来压前，支架工作阻力均方差1 287～1 933/1 567 kN，支架工作阻力均方差占支架实测均值阻力20.15%～30.26%/24.53%，整体波动较大，需要加强此段时间对支架的管理。同时，可以看到，工作面宏观矿压显现并不明显，片帮与顶板冒落在可控范围。

[1] 刘晓明，赵同彬，王明强，等.固体充填工作面支架工作特性及顶板控制分析[J].山东科技大学学报(自然科学版)，2017(02):54-57.

[2] 韩 龙.综采工作面末采及回撤矿压显现规律与顶板控制技术[J].煤矿安全,2017(S1):89-92.

[3] 严 露，赵红元.深部井煤巷上山施工顶板控制探讨[J].科技创新导报，2013(21):21-24.

[4] 李国雄，谢晓铭，孙德宁，等.走向长壁炮采放顶煤工作面顶板控制的实践[J].煤炭技术，2012(03):32-35.

Measurement of Mine Pressure Behavior of Integrated Coal on Both Sides of Coal Face

WANG Qingliang

For the determination of the reliability of the face support equipment in 11303 working face under the condition of side direction mining with mined-out area in two sides in a coal mine, the monitoring and measurement are conducted on production pressure, periodical pressure, notable movement, relatively stable space. The Macro mine pressure behavior in the working face is also observed. The results show that supports can meet the production demand in the working face.

Goaf; Mining effect; Strata behavior; Support resistance

2017-03-10

王清亮(1972—)，男，山西孝义人，2008年毕业于太原理工大学，高级工程师，主要从事煤炭生产技术管理工作

(E-mail)zfg3259@163.com

TD327.2

B

1672-0652(2017)05-0016-05