发耳煤矿智能化综采工作面矿压规律研究

周 明 刘建刚

（1．六盘水师范学院矿业与机械工程学院，贵州 六盘水 553004；2．贵州发耳煤业有限公司，贵州 六盘水 553017）

0 引言

长壁开采具有效率高、产量大等优点，分析智能工作面长壁开采过程中矿压显现规律对具有相似地质条件的智能工作面安全高效开采具有重要意义。国内很多学者对不同类型地质条件下长壁工作面矿压显现规律做了详细的研究，取得了一系列成果，但智能化综采工作面矿压显现研究者较少。该文以发耳煤矿31004智能化综采工作面为研究对象。

1 概况

1.1 31004智能化综采工作面概况

贵州发耳煤业有限公司31004智能化综采工作面是10#煤层第4个工作面，位于三采区轨道下山东翼，东至引F3断层保护煤柱线，北至31002工作面（已回采），南至31006工作面（未准备），西邻三采区轨道下山保护煤柱。工作面具体位置及井上下关系见表1。

表1 31004智能化综采工作面位置及井上下关系

1.2 煤层

31004智能化综采工作面开采煤层为10#煤，煤层走向由东南转向东北，煤层倾角15°～21°，平均煤厚2.25m，煤层赋存比较稳定。10煤为块状-粉末状，以亮煤为主，条带状结构，层状构造，有细小方解石脉顺外生裂隙穿切，煤层结构稳定，局部有夹石一层，夹石岩性为炭质泥岩。煤层硬度f=2～4。

1.3 煤层顶底板

31004智能化综采工作面直接顶为泥岩，灰黑色，厚度3.05m，强度低，属2类（中下稳定）顶板；基本顶为粉砂岩，灰-灰绿色，厚度7.18m，坚硬，属Ⅰ级顶板。直接底为黏土质砂岩，遇水易膨胀，强度较低，底板容许比压为4.15MPa。

2 工作面矿压监测方案

2.1 矿压监测的目的

为了掌握发耳矿31004智能化综采工作面的矿压显现规律和特征，为后续相似条件下工作面安全高效回采提供依据，需要在31004工作面回风顺槽和运输顺槽内布置矿压及巷道变形观测站进行矿压观测和巷道变形监测。1） 为及时掌握31004智能化综采工作面矿压显现规律，分析液压支架支护效能，以其为后续类似条件下智能工作面综采液压支架选型提供参考依据，需要在31004智能化综采工作面进行液压支架支护工作阻力观测。2） 为31004智能化综采工作面回风顺槽和运输顺槽超前支护设计参数提供设计依据，掌握工作面前方煤体内应力（原岩应力区、应力增高区、应力降低分区）布情况，需要对31004智能化综采工作面两巷进行超前支承压力的观测。3） 通过高水材料巷帮充填沿空留巷围岩变形、支护结构受力的观测与分析，为判断巷帮充填体的稳定性提供依据。

2.2 矿压监测内容

工作面测站布置要具有代表性，能够反映出整个工作面的实际情况，根据矿压观测内容来合理确定工作面测站布置，可在采面内间隔一定距离设置一个测站，且可以以测站内的支架作为观测线。具体监测内容如下。1） 31004智能化综采工作面工作面顶板运动规律分析。2） 31004智能化综采工作面轨道巷表面收敛变形监测。3） 充填帮支护结构受力监测。

3 工作面顶板运动规律

工作面回采后，根据上覆岩层垂直破坏情况可将其划分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，如图1所示。

图1 上煤层开采后覆岩移动概况

工作面冒落带高度计算方法如下。当允许岩层冒落运动的空间高度S（自身厚度与下部空间之和）大于或等于其冒落充填厚度Km时，则第m层冒落，逐层向上推断，直至（＜Km）不冒为止。其中K为各岩层的碎胀系数，m为第层岩层厚度，S为允许第层冒落运动空间，如式（1）所示。

Km＞S=+++...+m---...-Km（1）

可以根据岩石相关力学性质来决定岩石碎胀系数的大小。一般来说岩石单轴抗压强度越大碎胀系数较大，岩石单轴抗压强度小的碎胀系数相对较小。岩石的碎胀系数一般在1.05～1.80取值。

3.1 采场顶板组成及活动范围

31004智能化综采工作面顶板由直接顶和基本顶两部分组成。直接顶厚度计算如式（2）所示。

式中：m—直接顶厚度，m；—采高，m；S—岩梁触矸处沉降值，S=0.18h，m；K—岩梁触矸处已冒落岩层的碎胀系数，根据此工作面条件，选取为1.31。

由于31004智能化综采工作面设计采高为2.25m，因此把=1.31，=0.18h分别代入式（1），求得直接顶厚度m=5.95m。

结合工作面岩层情况知，可知直接顶厚度5.95m，由10煤层顶部的泥岩及粉砂岩的下部组成，其中泥岩厚度约为3.05m，粉砂岩厚度约为2.9m，直接顶以上的粉砂岩、细砂岩、粉细砂岩等构成采场的基本顶。

3.2 顶板来压步距

各个测站部位顶板初次来压和周期来压步距见表2。

由表2可得，8#支架代表的工作面上部，基本顶初次来压步距27.6m；基本顶周期来压步距8.4m～14.4m，基本顶平均周期来压步距11.1m。36#支架代表的工作面中部，基本顶初次来压步距18.8m；基本顶周期来压步距8.4m～16.2m，基本顶平均周期来压步距12.1m。43#支架代表的工作面中部，基本顶初次来压步距21.9m；基本顶周期来压步距12.6m～14.4m，基本顶平均周期来压步距14.3m。75#支架代表的工作面下部，基本顶初次来压步距18.9m；基本顶周期来压步距9.6m～13.8m，基本顶平均周期来压步距11.9m。89#支架代表的工作面下部，基本顶初次来压步距18.8m；基本顶周期来压步距9m～19.6m，基本顶平均周期来压步距13.4m。

表2 各个测站部位顶板初次来压和周期来压步距

综上分析，31004智能化综采工作面基本顶平均初次来压步距21.3m，基本顶平均周期来压步距约为12.6m。根据现场观测，正常阶段，直接顶基本随采随冒，无悬顶。

4 31004智能化综采工作面轨道巷表面收敛变形监测

31004智能化综采工作面轨道巷为原31002工作面轨道巷采用高水材料充填巷帮沿空保留的巷道，为了掌握沿空巷道变形受采动影响的变形破坏特征、高水材料充填帮支护结构受力特征以及工作面侧向支承压力的分布规律与实体煤帮的侧向破坏范围，为沿空留巷选择合理的支护参数提供依据。巷道测站的监测内容有巷道表面位移监测、巷道充填帮支护结构受力监测和实体煤帮钻孔应力监测。根据31004轨巷沿空留巷矿压监测要求及测站位置选择的一般原则，从31004工作面开切眼始，在31004轨道巷中布置4个测站，沿31004工作面推进方向分别为测站Ⅰ、测站Ⅱ、测站Ⅲ、测站Ⅳ，各测站间距30m，测站Ⅰ距离31004工作面开切眼20m。每个测站均进行巷道表面位移监测和支护结构受力监测，钻孔应力监测在测站Ⅱ～Ⅳ进行。

4.1 巷道表面位移监测

巷道表面位移监测从2021年3月15日起至2021年9月17日结束。观测期间，测站Ⅲ由于被轨道巷存放的单体液压支柱挡住，数据缺失较多。故舍去测站Ⅲ，只对测站Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ的巷道表面位移及位移速度进行分析，测站Ⅳ巷道表面位移曲线如图2所示。

图2 测站Ⅳ巷道表面位移曲线

根据监测数据绘制的巷道表面位移与观测点距工作面距离间的关系及移近速度可以看出，测站距离工作面约50m以远，轨道巷两帮及顶底板位移量没有大的变化。测站距工作面50m左右，两帮和顶底板位移量开始有所增加，但移近速度较低。在距工作面25m以内，两帮和顶底板移近速度开始增大并保持一定的位移速度，总的顶底板移近量与两帮移近量不大，两帮移近量最大218mm，顶底板移近量最大116mm，两帮移近量大于顶底板移近量。根据31004工作面轨道巷表面位移监测数据分析，可认为轨道巷超前支承压力影响范围在面前25m范围内。31004工作面轨道巷高水材料充填帮随工作面推进，变形量不大，能够承受工作面超前采动影响，巷道整体稳定。

4.2 轨道巷充填帮支护结构受力监测

充填帮支护结构受力监测从2021年3月15日起至2021年9月17日结束，在每个测站断面充填帮安装两台锚杆测力计，以观测巷帮充填体随工作面推进支护结构受力的变化情况。测站Ⅲ充填体支护结构受力与观测点距工作面距离间的关系如图3所示。

由图3可以看出如下3点。1） 随着工作面推进，支护结构受力呈增长趋势，且下帮部锚杆受力增长幅度略大于上帮部。2） 监测期间，锚杆受力最大104kN（26MPa），但充填体并没有发生明显的变形破坏，说明充填体具有一定的承载能力。3） 测站Ⅲ下帮部锚杆在受力达到99.2kN～104kN（24.8MPa～26MPa）时，测力计出现读数急剧下降现象，说明锚杆受力可能超过其极限承载能力。

图3 测站Ⅲ充填体锚杆受力变化曲线

5 结论

该文通过对31004工作面进行常规的矿压监测、31004轨道巷表面收敛变形监测、充填帮支护结构受力监测等得到了以下几点结论。1） 采场顶板组成及活动范围：直接顶厚度5.95m，由10煤层顶部的泥岩及粉砂岩的下部组成，其中泥岩厚度约为3.05m，粉砂岩厚度约为2.9m；直接顶以上的粉砂岩、细砂岩、粉细砂岩等构成采场的基本顶。2） 工作面基本顶来压：31004工作面基本顶平均初次来压步距21.3m；基本顶平均周期来压步距12.6m。3） 31004工作面轨道巷超前支承压力影响范围在面前20m～30m。工作面轨道巷高水材料充填帮随工作面推进，变形量不大，能够承受工作面超前采动影响，巷道整体稳定。4） 随着工作面推进，充填帮支护结构受力呈增长趋势，且下帮部锚杆受力增长幅度略大于上帮部。充填体没有发生明显的变形破坏，说明充填体具有一定的承载能力。