浅埋薄煤层工作面矿压显现特征研究

2019-08-08张波

陕西煤炭 2019年4期

张波

(山西平舒煤业有限公司，山西晋中 045400)

0 引言

随着煤层开采逐步向深部转移，浅部煤层多为地质条件复杂，煤层厚度较小的煤层，为减少资源的浪费，多数矿井对过去未开采的薄煤层进行了重新开采，但由于地质条件的复杂与多样性，尤其是坚硬顶板下的薄煤层工作面，其矿压显现规律研究较少，导致工作面在开采过程中突然出现来压导致支架压死等现象出现，对矿井的安全生产产生很大的影响[1-3]。坚硬顶板条件下的薄煤层综采工作面矿压显现规律一直是许多研究人员的研究课题。例如，王占立等采用了现场监测的方法，对工作面突发冲击性矿压的预防措施进行了研究；于斌等采用理论分析与现场监测相结合的方法，对薄煤层工作面超前支承压力的显现特征进行了研究[4-5]。

以山西某矿浅埋薄煤层坚硬顶板综采工作面地质条件为基础，采用现场实测的方法，对坚硬顶板综采工作面矿压显现规律进行了研究，以期为该矿区其他相似条件工作面提供现实依据。

1 工程背景

山西某矿12502工作面位于五采区，该工作面开采煤层厚度在1.0～2.30 m之间，平均厚度1.70 m，容重1.37 t/m3，局部煤层夹一层0.10～0.40 m的泥岩，煤层厚度变化较大；煤层倾角2°～6°，平均倾角4°。工作面地面标高为1 239～1 455 m，工作面标高为1 006～1 066 m，埋深约为250 m，工作面北东部为矿井边界(小窑破坏区)，南东部为已形成的12503工作面，南西为大巷保护煤柱，北西部为已回采的12501工作面。工作面走向长度为1 500 m，倾斜长度为220 m，煤层结构简单，赋存较稳定。

12502工作面煤层直接顶岩性为细砂岩，夹杂有一层伪顶，岩性为砂质泥岩。基本顶为粉砂岩，属于致密坚硬岩层。底板岩性为砂质泥岩，较为破碎，内含植物化石等，工作面顶底板柱状图如图1所示。由于顶板岩层硬度较大，因此研究工作面矿压显现规律十分重要。

图1 工作面综合柱状图

2 矿压观测方案设计

2.1 观测内容

通过观测工作面液压支架的工作阻力随工作面推进度的变化情况而判断工作面初次来压步距以及周期来压步距的大小，并进一步分析顶板的来压强度。通过对工作面液压支架工作阻力以及初撑力等参数的观测，判断支架是否满足工作面顶板的支护要求，依次来评价支架的合理性，是否能够充分发挥作用。

2.2 观测仪器布置

采用综采液压支架的压力监测仪对工作面液压支架工作阻力进行监测，工作面的液压支架压力监测仪布置情况为：共布置6架，分别是第5#、15#、55#、65#、125#、135#液压支架。

2.3 数据记录、整理

对整个回采过程中的矿压显现情况进行监测，属于连续监测过程，基本上两天对工作面压力数据收集1次，在生产班收集数据，在工作面来压时，变为每天收集1次数据。数据记录的主要内容为整个工作面范围内布置有测点的液压支架的工作阻力数值以及煤壁宏观矿压情况。上井后，将记录的数据及时整理、分析。整个监测工作从工作面开挖的时候开始，一直推进到200 m左右。

3 工作面矿压显现规律分析

3.1 工作面液压支架初撑力分析

支架提供合理的初撑力是保证工作面正常推进过程中顶板维持稳定、减少煤壁片帮现象的重要因素。工作面采用的液压支架的额定初撑力为6 000 kN/架。工作面各位置液压支架初撑力统计数据如图2所示。

a-工作面上部支架；b-工作面中部支架；c-工作面下部支架图2 支架平均工作阻力频率分布

由图2可知，12502工作面液压支架的初撑力多分布在3 000～4 000 kN之间，所占比例达到30%～40%，超过4 000 kN的比例约为20%，根据液压支架的额定初撑力为6 000 kN，若按其80%来算，即合理的初撑力应达到4 800 kN，但从图中可以看出，初撑力符合要求的情况极少，可以得出支架初撑力严重不足，因此造成工作面在推进过程中进程出现顶板冒落、煤壁片帮等现象。

3.2 工作面基本顶初次来压分析

工作面自开切眼开始推进至距工作面200 m范围内液压支架平均工作阻力监测结果如图3所示。根据监测结果分析，12502工作面推进至距离切眼25～30 m范围时液压支架平均工作阻力急剧上升，强度高、持续时间短，基本顶发生初次来压，工作面中部首先来压，平均来压步距 25.6 m，其次是机头方向平均来压步距26.4 m，最后是机尾方向，平均来压步距27.3 m。整个长度范围内工作面初次来压步距并不一致，大体呈现中间短两端长，平均来压步距25.4 m。

3.3 工作面周期来压分析

对12502工作面上部、中部、下部3个位置共6个液压支架的工作阻力进行监测，绘制工作面自开切眼推进至200 m的过程中液压支架工作阻力曲线如图3所示。

a-工作面上部支架；b-工作面中部支架；c-工作面下部支架图3 液压支架平均工作阻力分布图

通过对12509工作面不同位置液压循环末支架工作阻力的分析，可以得出基本顶周期来压特征主要如下：①12502工作面推进从开切眼推进到200 m的过程中，共监测到基本顶周期来压10～15次。其中，工作面中部周期来压强度较大，两端周期来压强度相对较小；②根据工作面液压支架工作阻力，工作面基本顶周期来压步距在14～17 m范围内，平均值为16.5 m，工作面不同位置的基本顶周期来压步距相差不大；③工作面未来压时，巩固走面煤壁较为完整，片帮情况较少，未出现冒顶现象，此时支架工作阻力躲在3 000～4 000 kN范围内，为额定工作阻力的45%；来压时，工作面的矿压显现明显，支架工作阻力急剧增大，其平均工作阻力为4 500～5 500 kN，为额定工作阻力的67%，因此工作面来压时，未超过液压支架额定工作阻力，液压支架能够满足工作面安全开采。由于周期来压时都会发生煤壁压裂、片帮以及顶板冒落现象，因此可将煤壁等出现的该类矿压显现作为预报工作面来压的一项指标。