长平煤业5302综放工作面巷道超前矿压规律与其他开采活动对矿压影响研究

王 飙

（山西晋城无烟煤矿业集团鄂托克前旗恒源投资实业有限责任公司，山西 晋城 048000）

1 工作面概况

1.1 工作面概况

长平井田位于高平市西北寺庄镇境内，矿井东南距高平市17km，北距长治市45km，南距晋城煤业集团53km。5302综放工作面位于3#煤一水平五盘区南翼，为五盘区的首采工作面；地面标高979－1170m，煤层底板标高412－480m，工作面走向长度1509.17m（帮—停），倾斜长度295.00m（帮—帮），煤层平均厚度5.64m；该工作面在1066m处布置有第二切眼，长101.5m；工作面东部为5301工作面（尚未布置），西部为5303工作面（正在布置），北部为五盘区大巷，南部为西珏山庙保护煤柱。

1.2 煤层性质

煤层总厚度6.0 4 m，中间有2 层夹矸，煤层结构情况为0.45(0.30)3.95(0.25)1.09，煤层倾角2-9°，平均5°，煤呈黑色，煤芯呈块状及短柱状，玻璃光泽，条带状结构，阶梯状断口，内生裂隙发育，夹矸为炭质泥岩及泥岩。煤层顶底板情况如表1所示：

从四盘区三个地应力测站的围岩强度测试结果来看，井下巷道钻孔中测出的煤体平均单轴抗压强度集中在13.8～15.4MPa之间。煤层顶板直接顶砂质泥岩，强度在27.6～32.6MPa之间，单轴抗压强度较小；老顶细粒砂岩，强度在70.0～80.0MPa之间，平均72.1MPa，单轴抗压强度较大。煤层直接底为泥岩，强度在23.8～28.9MPa之间，单轴抗压强度较小；老底粉砂岩，平均强度70.1MPa。

表1 煤层顶底岩层情况

1.3 工作面水文地质条件

巷道掘进中涌水的主要来源为顶板砂岩含水层水，局部地段可能遇到底板砂岩含水层水。涌水形式为顶板淋水、顶板裂隙渗水和底板涌水，预计工作面正常涌水量为6m3/h，最大涌水量为12m3/h。据矿井瓦斯鉴定及邻近工作面瓦斯检测结果，预计工作面瓦斯绝对涌出量1.35-2.74m3/min；预计工作面二氧化碳绝对涌出量为1.16-1.38m3/min。煤尘无爆炸性危险，属于不自燃煤层，地温变化区段为18.6-23.05℃，平面地温变化很小，无地温异常，工作面地压为8.875-13.125MPa。本矿井未曾出现冲击地压，预计工作面无冲击地压和应力集中危害。

本区属大陆性气候，据晋城市气象站观测资料：年平均气温为10.88℃，最高气温为38.6℃，最低气温为-22.8℃；年降水量为292.0～1008.8mm，6～9月份降水量占全年的70%；年平均蒸发量为1009.6mm，干旱指数为1.58，属半湿润区；该区夏季多东南风，冬季多西北风，最大风速十级，一般为3～4级；全年无霜期180d左右，每年11月至次年3月为结冰期，冻土深度一般为0.30～0.43m。

2 巷道超前矿压规律与其他开采活动对矿压影响研究

2.1 巷道矿压设备布置方案

布置方案为分别在53021、53023两巷布置72组巷道矿压监测设备，包括72个顶板离层仪、80个钻孔应力计、72个锚杆测力计，具体布置方案如图1所示。

图1 巷道矿压设备布置方案

53021、53023两条巷道每个巷道布置36组测站，其中3#测站和7#测站为钻孔应力集中监测测站，每个测站布置3m、5m、7m、9m、11m、13m、15m、17m共计8个钻孔应力计，以及2个锚杆测力计（顶板一个、内帮一个）和1个顶板离层仪，其余测站布置1个钻孔应力计、2个锚杆测力计和1个顶板离层仪。由1#测站（靠近切眼）向36#测站依次布置。首次两巷各布置20个测站（由于缺少锚杆测力计，53023巷布置19组），当测站进入采空区前，拆除钻孔应力计和锚杆测力计，并将拆除的设备安装在巷道前方新增测站上。

2.2 各测站矿压数据分析

分别对53021巷、53023巷顶板离层量、顶锚杆应力、帮锚杆应力、煤体应力等数值增量明显的单一测站随时间变化的矿压规律进行分析。

2.2.1 顶板离层数据分析

53021巷6#测站顶板离层量变化明显，1月17日，该测站超前工作面70m左右离层量开始增大，在超前工作面60m时深层位移量为449mm，浅层位移量为461mm。

2.2.2 巷道顶锚杆应力数据分析

巷道顶锚杆应力变化曲线如图2所示，53021巷2#测站顶锚杆应力在超前工作面70m处开始增大，超前30m时明显增大，由超前30m位置的28kN增至超前7m位置的103kN，增量达75kN，增幅达到269%。53021巷5#测站顶锚杆应力在超前工作面81m处开始增大，在超前50m时达到108kN，增量达到49kN，增幅为83.1%，而且由图2（b）可知仍有继续增大的趋势。53021巷6#测站顶锚杆应力在超前55m处明显增大，1月31日超前工作面31m时增大至102kN。53021巷9#测站顶锚杆应力在超前工作面200m时开始快速升高，超前工作面170m时达到86kN。由此分析可知顶锚杆受巷道超前动压影响在工作面前方81m增幅明显加大，帮锚杆应力影响范围最远可达175m，在超前100m时增幅提升。

2.2.3 巷道帮锚杆应力数据分析

53021巷1#测站帮锚杆在超前60m位置开始缓慢增大，超前工作面40m时应力骤增至68kN，增量48kN，而后缓慢增大，在设备拆除前（超前工作面5m）应力增大至135kN。53021巷5#测站帮忙应力超前工作面175m处开始增加，但幅度不大，当超前工作面100m时开始快速增大，在超前工作面81.9m时增大至76kN。53023巷3#测站帮锚杆应力在超前130m处开始增加，最大值达到102kN。53023巷16#测站帮锚杆应力在超前400m时应力超过60kN，可能由于周边存在构造导致巷道应力 升高。

图2 顶锚杆应力变化曲线

图3 煤体应力变化曲线图

2.2.4 煤体应力数据分析

各测站煤体应力曲线如图3所示。53021巷3#测站5m深煤体应力在超前工作面50m处开始增大，12月1日经卸压爆破后应力明显降低，而后增速放缓；53021巷5#测站7m煤体应力在超前工作面160m处开始增大，超前工作面89m时快速升高，在工作面前方16.9m时达到12.1MPa；53023巷3#测站3m钻孔在超前工作面130m处开始缓慢增大，超前工作面25m时迅速增大，11月26日拆除前，最大应力值达16MPa，该测站15m深煤体应力在超前工作面30m时迅速增大，12月8日拆除前，应力值达15.1MPa；53023巷5#测站7m深煤体应力在超前工作面230m时开始缓慢增长，距工作面51.2m时应力增至10MPa，并仍有上涨趋势。53023巷7#测站9m深煤体应力在超前工作面75m时应力快速升高，超前工作面40m时应力值达到16MPa，并仍有升高趋势。

3 其他开采活动对矿压的影响

3.1 巷道卸压爆破效果分析

为了分析深孔爆破卸压对两巷及工作面矿压显现的影响程度，分别分析卸压前后5302工作面支架压力、53021巷、53022巷煤体应力的变化情况。

1）53021巷首次卸压时间为9月8日～9月11日，考虑到卸压对机头机尾支架影响最为直接，分析卸压前（8月15日～10月12日，机头0～70m范围）、卸压后（9月8日机头回采至10.4m，由于卸压孔布置在超前工作面60m～110m，该位置回采时间为10月13日～11月13日）机头附近10架支架压力的变化情况，卸压前，1～10#支架循环末阻力平均值为6473.9kN，卸压后循环末阻力平均值为5782.6kN。卸压后循环末阻力降幅为10.7%。

2）53023巷卸压时间为8月28日～9月28日，分析卸压前（8月15～9月3日，机尾0～10m）、卸压后（8月28日机尾推进度为0，卸压孔超前工作面10m～108m，该位置回采时间为9月4日～11月1日）机尾附近10架压力变化情况，卸压前，161～171#支架循环末阻力平均值为5908.5kN，卸压后循环末阻力平均值为5281.8kN，卸压后循环末阻力降幅为10.6%。

3）53023巷9月24～28日对距切眼96～118m位置巷道进行卸压爆破，2#测站位于该影响区内，帮锚杆应力明显降低，由43kN降至6kN，降幅明显，其他测站数据并未在卸压爆破后发生明显变化。

53021巷3#集中测站在12月3日进行了深孔爆破工作，53023巷3#集中测站附近测点在11月26日进行深孔爆破，各测点压力变化情况如表2所示。

表2 深孔爆破对巷道矿压的影响

通过以上分析可以看出，巷道卸压爆破能够有效降低巷道及工作面机头机尾顶板压力，卸压后，两端头附近支架压力平均降幅为10.55%，巷道煤体应力平均降幅为24.78%，卸压效果较为明显。

4.3.2 顶板活动对工作面淋水的影响

由地质条件可知，5302工作面上方40m处为K8含水层，110m处为K10含水层，根据现场观测，工作面分别出现三次顶板淋水，具体情况如表3 所示。

表3 工作面顶板淋水情况

1）10月3日，129#～139#支架开始来压，其中133#～136#支架安全阀频繁开启，来压持续时间最长持续到10月12日，10月9日，142～147#支架来压，部分支架安全阀开启，表明该时间内129#～147#支架上方顶板活动剧烈。根据微震系统观测数据显示，10月2日～10月11日，工作面共发生5次103J以上较大能量微震事件，其中1次最大能量事件发生在工作面靠近机尾附近，能量达到1.3×104J，层位位于顶板上方31m处，该能量事件可能是由于关键层断裂导致，使得K8含水层导通工作面，造成工作面淋水。

2）11月14日，122#～141#支架附近顶板来压，11月17日～18日来压加剧，部分支架安全阀开启，11月14日～11月19日共发生7次较大能量事件，其中11月17日在工作面距机尾30m位置发生一次1.1×104J大能量事件，位于顶板上方25m处，结合工作面矿压分析结果，应为工作面基本顶大范围断裂后导通K8含水层，造成工作面淋水。

3）12月5日，工作面140#～153#支架陆续来压，145#～153#支架安全阀频繁开启，矿压显现明显。对应微震事件可以看出，12月2日～12月6日，工作面靠近机尾附近发生6次较大能量微震事件，其中两次发生在底板中，一次发生在煤层中，三次发生在顶板，最大震动能量为5.5×104J，发生层位在顶板上方30m位置，通过层位判断应为K8含水层附近顶板断裂所致。

4.4 小结

本文通过对53021巷、53023巷顶板离层量、顶锚杆应力、帮锚杆应力、煤体应力的现场监测与分析得出以下结论：

1）顶锚杆受巷道超前动压影响在工作面前方81m增幅明显加大，帮锚杆应力影响范围最远可达175m，在超前100m时增幅提升，煤体应力受超前动压影响最远可达230m，在超前89m时增幅提升。

2）超前动压影响范围在工作面前方80～100m范围，在此区域内，巷道压力增幅明显升高，个别测点在超前工作面25～30m时锚杆应力和煤体应力迅速升高。

3）可以大致将工作面超前动压影响区分为三个区域：（1）超前应力显著影响区，位于工作面前方0～30m；（2）超前应力扰动区，位于工作面前方30～100m；（3）超前应力覆盖区，位于工作面前方100～230m。

4）基于工作面现场条件，运用矿压分析手段对巷道切顶卸压效果及工作面淋水原因进行了分析，卸压爆破后，两端头附近支架压力平均降幅为10.55%，巷道煤体应力平均降幅为24.78%，巷道卸压爆破能够有效降低巷道及工作面机头机尾顶板压力，卸压效果较为明显。

5）针对三次工作面顶板淋水情况，分析该时间内工作面支架压力变化规律及微震能量事件分布特征可以看出，淋水期间该位置附近顶板均处在周期来压时期，支架安全阀频繁开启。同时在顶板上方25～31m位置发生104J大能量微震事件，工作面淋水主要为顶板上方关键层断裂导通K8含水层所致，开采扰动产生的裂隙带高度并未达到K10含水层。