青龙寺煤矿高效工作面矿压规律实测研究

2018-07-30高治洲

陕西煤炭 2018年2期

高治洲

(榆林神华能源有限责任公司青龙寺煤矿分公司，陕西府谷 719400)

0 引言

陕北榆神府矿区的开采实践证实，地表厚松散层浅埋煤层高效工作面开采支架需要很大阻力才能抵抗上覆岩层施加的载荷，并有效防止工作面发生切顶等灾害[1-3]。综采工作面采用液压支架对于预防顶板事故与传统的支护相比较非常可靠，但这种可靠性是需要保证综采工作面采用液压支架良好运行才能实现，否则就保证不了工作面高产高效，也保证不了安全生产[4-6]。青龙寺煤矿属于厚土层覆盖的浅埋煤层，但青龙寺煤矿的煤层赋存地质条件、开采技术条件、工作面管理等方面与附近其他煤矿存在着较大差异，如果生搬硬套地借鉴或者使用他们的矿压规律，将会在工作面顶板管理方面存在一定的安全隐患，保证不了矿井高效安全生产，可能导致一些安全事故，进而造成一定的安全和经济损失[7-9]。因此，需要对青龙寺煤矿高效工作面上的矿压规律与其特殊的地质条件进行结合研究，才能制定出合理可行的工作面顶板管理方法和措施。

1 矿压实测方案

1.1 工作面概况

青龙寺煤矿520101工作面沿煤层倾向布置，工作面回风巷长3 703.3 m，宽5.1 m，高2.68 m；520102工作面回风巷长3 698.6 m，宽5.1 m，高2.88 m；工作面煤层以半暗煤为主，硬度中等，平坦状及阶梯状断口，层状结构，裂隙发育，煤层中部夹有一层厚度平均在0.17 m的夹矸，主要为砂质泥岩，局部为泥岩；煤层厚度平均为1.25～2.3 m。5-2煤层为一个宽缓的倾向SW的单斜构造，倾角1°左右。工作面采用倾向长壁后退式综合机械化采煤，全部垮落法管理顶板的采煤方法。工作面老顶为中粒砂岩，厚度27.92～50.86 m，岩性为灰白色，层状构造，成分以石英、长石为主，泥质胶结为主，局部钙质胶结，中粒砂岩与粉砂岩互层，偶夹煤线。直接顶为粉砂岩厚度 1.31～5.67 m，岩性为灰-灰白色，薄层状，水平层理，夹有细砂岩、泥岩或炭屑薄层，层面见植物化石碎片。直接底为粉砂岩，厚度4.80～13.55 m，岩性为灰白色，薄层状，发育水平层理、波状层理及小型交错层理，顶部夹有砂质泥岩薄层，含白云母碎片及炭屑。520101工作面采用综采长壁采煤法，全部冒落法管理顶板，工作面长度300 m，采高2.38 m，工作面顶板支护配套使用176台ZY8800/15/28D掩护式液压支架，支护高度1.5～2.8 m，工作阻力为8 800 kN，支架宽度为1.75 m。

1.2 观测站布置

沿工作面线长方向布置3个测站，工作面线长方向为300 m，第1个测站和第3个测站设计的位置靠工作面上下端头，距离工作面上下运输顺巷道以及回风巷道的大概距离在30 m。第2个测站设计布置在工作面的中部附近，距离第1和第3个测站的距离在120 m附近。监测工作面支护质量，总体监测布置设计如图1所示。工作面上下两巷道内各测站随工作推进循环调整，保证两巷道内测站一直有2个。在工作面上下巷道内各布置2个超前压力分布规律的测站A1、A2和B1、B2，超前压力分布规律的测站间距在10 m左右。同时在两间隔的超前压力分布规律的测站附近设计2个巷道表面收敛变形观测站A11、A21和B11、B21，表面收敛变形观测站间距在20 m左右。顺槽内各测站随工作推进不断循环布设，保证两巷道内测站的一直有两个。通过监测工作面支护阻力与工作面推进过程的关系，总结支架工作阻力在采动过程中的变化规律，为该矿相邻工作面开采采场顶板管理提供经验借鉴。

图1 监测布置图

2 工作面观测结果分析

2.1 支架阻力分析指标

通过30 d左右的矿压观测数据进行分析处理，工作面在观测期间共向前推进200 m，共有7次周期来压。观测期间，数据采集采用在线自动监测系统，基本上实现了支架上阻力的连续记录。工作面来压期间压力变化较明显，来压显现显著。在对数据处理时以支架阻力加权阻力与其均方差之和为判断来压的主要指标，其数据计算的公式为[7]：

(1)

式中：Pt—加权阻力：Pi—转折点阻力值。

(2)

来压依据：PL=Pj+σpt

动载系数：K=Pz/Pf

式中：Pz—来压期间平均工作阻力；Pf—非来压期间平均工作阻力。

2.2 区域压力分布分析

工作面支护阻力与推进距离关系如图2所示，工作面来压特征见表1。

可以看出，工作面上部支架运行比较平稳，支架平均工作阻力在非来压与来压期间变化不是很大，工作面中部支架的平均工作阻力具有明显的周期变化特征，工作面下部支架的平均工作阻力也有一定的周期变化特征但不明显。综合工作面上、中、下部支架平均工作阻力可知，在整个工作面采集的数据表明支架的工作阻力大多数都是比较低的，这说明在开采过程中工作面的顶板运动比较缓慢，该首采工作面来压强度也相对比较小。在工作面开采过程中以老顶的初次破断附近为界线，到开切眼一段距离的支架工作阻力都要比老顶的初次破断后的支架工作阻力要小。这也反映出老顶初次破断前的工作面矿压体现不明显，而工作面进入正常开采后，随着开采范围的扩大顶板运动进入活跃阶段，这也使得工作面支架上工作阻力有一定的体现。

图2 工作面支护阻力与推进距离关系

工作面来压次数来压步距/m推进距离/m平均载荷/MPa最大平均载荷/MPa基本顶初次来压606028.735.3周期来压(1)187830.638.1周期来压(2)169433.137.2周期来压(3)2411831.033.4周期来压(4)2013826.933.5周期来压(5)2216027.135.2周期来压(6)1717727.635.1周期来压(7)1919628.036.3

观测表明,工作面最大周期来压步距为24 m，最小值为16 m，平均步距为19.4 m，来压期间支架工作阻力平均值为35.5 MPa，非来压期间工作面支架平均阻力29.1 MPa。支架实际工作阻力不高，并且周期来压步距随工作面推进速度提高而增加。

2.3 支架运行特性

随工作面的推进，在每个循环周期内支架阻力的大小均会受到移架人员操作水平、采场支护效果和煤层地质起伏变化的影响而有所变化，而且沿着倾斜方向工作面在不同位置处支架阻力也有差异。依据现场观测数据统计，真实地反映了520101工作面顶板的压力的大小、支架与围岩的相互作用关系以及支架的现场支护性能。由于该工作面推进速度较快，工人对支架的操作水平较高，所以只分析支架的工作阻力(初撑力和泵站提供压力31.5 MPa有关)。实测值分析结果见表2。

表2 支架动载系数

从表2可以看出，工作面老顶来压时的动载系数在1.08～1.30之间，平均1.22，来压强度相对较低，但能体现出其周期来压的特征。整个工作面开采过程中顶板来压强度都不高，说明该工作面的顶板管理难度也不是很高。

从每天工作阻力曲线分析可以看出某一具体支架在一定时间内的支护情况。总体来看，工作面在支架升架后达到初撑力，是一个随着割煤工艺的进行阻力而不断增加的过程。根据在现场实测数据表明，有的支架阻力在升架的时候能按照要求达到额定的初撑力，这压力值一般还比较大，但随着时间的推移支架的阻力没有增加反而减小，说明支架有漏液的可能性存在。还有个别支架的工作阻力值变化频繁，而还有个别支架的工作阻力一直保持不变。这都反映出支架在整个工作面推进的过程中运行波动比较大。在工作面推进的观测过程中，通过支架不同时期的阻力统计分析，获得了支架总体初撑力分布频率和工作阻力分布频率，具体如图3和图4所示。由图3、4可知，设计的初撑力达到额定的31.5 MPa的架次只占到测试架次的8%，说明支架的初撑力远未达到设计值。

图3 初撑力分布频率

图4 工作阻力分布频率

工作阻力大于额定初撑力31.5 MPa的在统计分析中仅仅占到测试架次的33%，工作阻力达到设计额定工作阻力44.2 MPa的在统计分析中仅仅占到测试架次的8%，并且在工作面没来压的时候大部分支架都在设计的初撑力以下，达到额定工作阻力的数据基本都是在顶板活动剧烈的来压期间。

3 巷道观测分析

工作面上下巷道为矩形巷道，采用锚网梁支护。工作面上下巷道表面收敛变形与工作面推进的位置关系见图5,这表明，巷道表面收敛变形速度的变化规律与工作面顶板的运动具有一定相关性，总体来看巷道表面收敛变形的速度均较低，这说明顶板的来压强度较低。各巷道内测站的表面收敛变形较小，巷道的顶底板或巷道的两帮最大变形为31 mm。结合矿压观测的相关数据，综合考虑巷道支护质量和安全等因素，工作面上下巷道目前的支护方式相对较安全，在工作面推进过程中对巷道的扰动较小。分析工作面上下巷道表面收敛变形的情况可以看出，巷道顶底板变形并不与观测的距离之间成正比，与巷道掘进施工的变化规律有很大差异。

图5 顶底板移近与推进关系

超前支撑压力的观测结果见图6，在工作面发生来压时，超前支撑压力变化明显，也就是超前支撑压力的变化斜率要比平时大。从总体变化趋势来看，其规律是距离工作面的位置越近，工作面超前支撑压力的增加也越快，根据超前支撑压力变化规律与工作面的位置关系，可用来预报工作面发生来压的可能性。观测期间由于仪表的安装造成单体支柱的卸压，初始测得的压力都比较低，但不管是回风还是运输顺槽的顶底条件都比较好，最终没有影响其变化规律的总结。工作面上下巷道观测表明，工作面的超前支撑压力峰值距离工作面前方4～6 m，其影响的距离可达前方未采动区域24 m。