布尔台煤矿综放工作面矿压显现规律研究

2023-01-09郝万东

煤炭工程 2022年12期

郝万东

(中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原 030006)

随着我国煤机装备的不断发展，煤矿开采效率和强度不断加大，了解和掌握工作面的矿压显现特性对于实现工作面的安全高效开采至关重要[1-8]。二十年来，我国放顶煤开采理论与实践研究取得了一些较有意义的成果，如周期来压不明显，顶煤对支架的合力作用点前移，支架荷载低于分层开采荷载等[9-13]。在以神东特大型煤炭基地为典型代表的开采强度大的厚/特厚煤层开采过程中，巷道在掘进、开采期间的矿压显现规律和巷道围岩应力分布复杂，采场的围岩运移规律有其自身的特点，特别是巷道围岩超前支护段变形破坏更加复杂化，一旦控制不当，将对矿井正常生产、采掘接替、甚至井下人员安全等造成严重影响[14-18]。为此，本文以布尔台煤矿放顶煤工作面为背景，通过现场实测，研究该条件下的矿压显现规律和围岩控制，以期为该条件下的高产高效矿井矿压事故监测预警提供借鉴参考。

1 工程概况

布尔台煤矿42204综放工作面布置在42煤二盘区，地面标高1252.2～1349.3m，底板标高911.12～ 930.82m，工作面推进长度4485.2m，工作面长度320m。工作面煤厚3.1～7.0m，平均6.2m，煤层倾角1°～ 5°。

42204综放工作面煤层上覆松散层厚度1～35m，基岩厚度299.6～412.2m，顶底板岩层特征如图1所示。最大涌水量预计为163m3/h。煤层火焰长度150mm，具有爆炸危险性，工作面绝对瓦斯涌出量最大为3.72m3/min，属于低瓦斯矿井。煤层为I类易自燃煤层，最短自然发火期为37d。

图1 工作面顶底板岩层特征

42204综放工作面共布置三条工作面巷道，其中，42204主运巷装备可伸缩带式输送机运输煤炭，同时作为人员通道；42204、42205辅运巷作为工作面设备及材料的运输通道。工作面主运巷为矩形断面，断面净宽6m，净高3.6m，净断面积21.6m2，采用“锚杆+锚索+钢筋网+钢带”支护。在掘进后、回采前对主运巷进行一次性补强支护。应力集中区域等前后10m范围内严格执行单体支护，其他区域取消单体支护。工作面辅运巷为矩形断面，采用“锚杆+锚索+钢筋网+钢带”支护，断面净宽5.4m，净高3.6m，净断面积19.44m2。42204辅运巷超前支护采用5组ZQL2×22500/22/40D型超前支架进行支护。ZQL2×22500/22/40D型超前支架顶梁长度7400mm，支架两侧最小中心距0.8m，最大1.5m，可通过防倒油缸进行调整。

工作面中部支架选用94台郑州煤矿机械集团生产的ZFY18000/25/39D双柱掩护式放顶煤液压支架，53台中煤北京煤矿机械有限责任公司生产的ZFY21000/25/40D双柱掩护式放顶煤液压支架。另外机头组合支架1台、机头端头支架4台、机头过渡支架1台，机尾端头支架5台、机尾过渡支架1台。

工作面沿煤层走向推进，沿煤层底板回采，采煤机割煤高度为3.7m，放顶煤高度为2.5m，采放比1∶0.68，采用单轮顺序放煤方式，循环作业方式为“一采一放”，完成一个循环，放煤步距865mm。采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤采煤方法开采，全部垮落法管理顶板。

2 巷道位移监测

在42204工作面主运巷和辅运巷自切眼起每隔50m布置一个巷道位移测点对巷道围岩表面位移量进行观测；在联巷中布置顶板离层仪对顶板离层情况进行观测。

2.1 巷道围岩表面位移监测

巷道围岩表面位移记录显示，自2021年9月27日初采至2021年11月9日，工作面共推进433m，期间主运巷副帮出现帮鼓，辅运巷顶板、正帮及副帮观测到位移变化。

1)顶板下沉量方面：辅运巷由6号测点(距切眼300m)10月29日首次观测到顶板下沉，下沉量为100mm。至11月2日，累计下沉量为100mm；11月3日，由10号测点(距切眼400m)观测到顶板下沉量为100mm。11月8日，顶板下沉量增至130mm。至11月9日，累计下沉量130mm。位移量变化如图2所示。

图2 辅运巷顶板下沉量变化

2)正帮帮鼓量方面：10月29日，辅运巷由6号测点(距切眼300m)首次观测到正帮帮鼓，帮鼓量为150mm。至11月2日，累计帮鼓量150mm。11月3日，由10号测点(距切眼400m)观测到正帮帮鼓量为150mm。至11月9日，累计帮鼓量150mm。正常帮鼓量变化如图3所示。

图3 辅运巷正帮帮鼓量变化

3)副帮帮鼓量方面：11月5日，主运巷由7号测点(距切眼350m)首次观测到副帮帮鼓，帮鼓量为60mm。至11月9日，累计帮鼓量60mm。11月8日，辅运巷由10号测点(距切眼400m)首次观测到副帮帮鼓，帮鼓量为100mm。至11月9日，累计帮鼓量100mm。副帮帮鼓量变化如图4所示。

图4 主运巷、辅运巷副帮帮鼓量变化

2.2 顶板离层监测

42204工作面自2021年9月27日初采至2021年11月9日，仅在10月7日主运巷35联巷顶板离层仪观测到顶板离层，深孔离层量为5mm，浅孔离层量为0mm。10月7日至10月25日，离层量未进一步增长。10月26日至11月9日，未观测到顶板离层现象。顶板离层量变化如图5所示。

图5 顶板离层量变化

3 围岩应力观测

在42203综放工作面巷道布置围岩应力监测区域，每个测区布置5个数显钻孔应力计，间距1m，安装深度分别为5m，10m，15m，20m，25m，用于监测工作面回采过程中超前支承压力动态形成过程及分布规律。

231#、232#应力计距离切眼145m，距离工作面75m。该组应力计于10月17日拆除。10月6日至10月11日期间，231#浅孔应力计应力值未发生变化，10月11日至10月12日，受超前支承压力影响，该应力计应力值由5.6MPa增至5.8MPa；10月13日，随工作面推进，该钻孔应力计距工作面39.6m，10月13日至10月17日，受超前支承压力影响，该应力值由5.8MPa增至6.5MPa。10月6日至10月12日期间，232#深孔应力计应力值由3.7MPa降低至2.9MPa，累计降低0.8MPa；10月12日至10月14日，应力值未发生变化；10月14至10月17日，应力值由2.9MPa增至3.4MPa，累计增加0.5MPa。应力计应力值变化如图6所示。

233#、234#应力计距离切眼195m，距离工作面125m。10月6日至10月8日，233#浅孔应力计应力值由5.1MPa降低至4.9MPa，10月8日至10月10日该应力计应力值未发生变化；10月10日至11日应力值由4.9MPa降低至4.8MPa；10月13日至10月17日，应力值未发生变化；10月17日至10月19日，随工作面推进，该钻孔应力计距工作面51m，应力值由4.8MPa增至4.9MPa。10月6日至10月10日，234#深孔应力计应力值由6MPa降低至5.8MPa；10月10日至10月12日，应力值未发生变化；10月12日至10月13日，应力值由5.8MPa降低至5.7MPa；10月13日至10月18日应力值未发生变化；10月18日至10月19日，随工作面推进，该钻孔应力计距工作面51m，应力值由5.7MPa增至5.8MPa。应力计应力值变化如图6所示。

图6 钻孔应力变化曲线

根据10月6日至10月19日该组应力计应力值变化情况，分析应力计在距离煤壁40m的位置开始进入高于原岩应力区域。

10月20日至10月26日，233#浅孔应力计受超前支承压力影响，该应力计应力值由5MPa增加至6.3MPa。234#深孔应力计损坏。根据10月20日至10月26日该组应力计应力值变化情况，分析可得应力计在距离煤壁40m的位置开始进入高于原岩应力区域。

235#，236#应力计距离切眼距离为250m，10月24日该组应力计距离工作面73m，10月26日该组应力计距离工作面53m。10月20日至10月24日，235#浅孔应力计应力值未发生变化，为3.9MPa；10月24日至10月25日，应力值由3.9MPa增至4MPa。10月20日至10月25日，236#深孔应力计应力值未发生变化，为5.1MPa；10月25日至10月26日，应力值由5.1MPa降低至5MPa；应力值变化如图7所示。

图7 钻孔应力变化曲线

根据10月20日至10月26日该组应力计应力值变化情况，应力计在距工作面75m左右开始受到超前支承压力的影响。

237#，238#应力计距离切眼距离为300m，11月5日该组应力计距离工作面煤壁4.6m时被拆除。11月3日至11月5日期间，237#浅孔应力计受超前支承压力影响，应力值由6.9MPa增至7.5MPa。10月3日至11月5日期间，238#深孔应力计应力值由4.1MPa增加至5.7MPa。根据11月3日至11月5日该组应力计应力值变化情况，分析应力计在距离煤壁40m的位置开始进入高于原岩应力区域。

239#，240#应力计距离切眼距离为350m，11月5日该组应力计距工作面54.6m，11月6日该组应力计距离工作面煤壁45.5m，11月9日距离工作面16.3m，已进入机尾超前支架内。11月3日至11月9日期间，239#浅孔应力计应力值由5.2MPa增至7MPa。240#深孔应力计11月3日至11月5日，应力值未发生变化，为3.6MPa；11月5日至11月9日，应力值由3.6MPa增加至4MPa。应力值变化如图8所示。

图8 钻孔应力变化曲线

根据11月3日至11月5日该组应力计应力值变化情况，分析应力计在距离煤壁45m左右的位置开始进入超前应力峰值区域，应力值增幅明显，煤壁可能会出现帮鼓、片帮、甚至炸帮现象，须严格执行超前锚杆索支护。

4 工作面来压监测

4.1 初次来压监测

10月8日9：50前后机头1#—15#，10#—30#支架区域对应采空区垮落，响声较大，工作面扬尘严重。晚上23：10左右48#—83#支架区域基本顶初次来压，压力最大51.6MPa，工作面片帮、炸帮严重，采空区有较大声响。10月9日上午6：30前后46#—126#支架压力较大，并逐渐向机尾方向延伸。10月10日机头推进至78.2m时工作面机头基本顶初次来压，采空区顶板大面积垮落造成工作面扬尘严重，来压持续长度5.8m；机尾推进至83m时机尾采空区基本顶初次来压，来压持续长度5.2m。10月11日、12日、13日连续三天监测工作面支架实时压力，整体压力较为平稳，无明显大面积来压现象，推测42204综放工作面基本顶初次来压基本结束。

综上，初次来压步距为71.3m(机头推进至71.2m，机尾推进至71.4m)，首先为40#—127#支架区域来压，支架压力在35～50.1MPa，机头推进至78.2m时机头基本顶初次来压，来压持续长度5.8m，机尾推进至83m时机尾基本顶来压，来压持续长度5.2m，工作面推进至88.2m时(机头推进至87.1m，机尾推进至89.3m)，初次来压结束，来压持续长度为16.9m。

4.2 周期来压监测

10月13日至10月19日，工作面共推进49.9m，推进至98.4m、109.5m、126.1m时来压，平均来压步距12m，平均来压持续距离10.7m。其中，10月13日夜班工作推进至98.4m时工作面来压，工作面30#—125#支架来压，来压时支架最大压力达到50MPa，立柱下沉量200mm左右，距上次来压8.4m，来压持续距离8m；10月15日中班工作面推进至109.5m时来压，周期来压表现为1#—100#支架整体来压，随后压力向机尾转移，来压时工作面片帮较严重，最大片帮量500mm，距上次来压11.1m，来压持续距离9.6m；10月17日夜班工作推进至98.4m时工作面来压，本次周期来压强度大，持续时间长，本周工作面周期来压时支架压力普遍达到45～48.5MPa，部分支架立柱安全阀开启，工作面片帮严重，立柱下沉量100mm左右，由于机尾巷道留底煤，工作面为保证过渡段平缓，120#至机尾段顶煤较薄，一直见顶，及时超前拉架，未造成大面积漏矸，本次来压距上次来压16.6m，来压持续距离14.4m。

10月19日至10月25日，工作面共推进54.5m，工作面周期来压3次，平均来压步距17.5m，平均来压持续距离7.5m。10月26日至11月2日工作面共有周期来压5次，平均来压步距13.54m，分别在工作面推进至：200.1～215.6m、221.2～225.6m、229～235.5m、237.2～250.8m、259～266.2m时来压。平均来压持续长度9.44m。

4.3 顶板断裂微震监测

2021年10月6日至11月9日对42204工作面进行顶板断裂微震监测。在42204工作面两巷道内布置检波器，每个巷道布置20个浅孔检波器测点，点距50m，孔深30m，10个深孔检波器测点，孔深40m，每台分站监测6道。

以10月13日至10月19日微震事件为例进行分析。这一周共监测到有效微震事件110次，微震事件总能量1.7×105J，较上一周增加6.59×104J。微震事件主要分布在工作面后方121m至工作面前方391m范围内，其中单次最大能量发生在10月11日04：32，能量值为8.36×103J，微震事件分布如图9所示。

图9 42204综放工作面微震事件分布

分析图中测点可知，微震事件聚集在机头、机尾附近，机尾方向微震事件较多，受42203工作面采空区影响，超前支承压力及相邻采空区侧向支承压力相互扰动，造成微震大能量事件聚集在侧向采空区煤柱附近，因此在辅运巷进行锚杆索支护，防止大能量事件发生造成煤体崩出伤人。另外，根据微震数据分析，工作面前方30m范围微震事件较少，煤岩体塑性变形程度较高，回采时及时移架。微震能量与推进速度呈一定的正相关性，微震频次与能量也呈正相关性，频次与进尺大体也呈正向关系型。微震事件主要发生在42煤与22煤之间顶板，说明超前支承压力和侧向支承压力的影响下，42煤上方顶板储存的弹性势能较大。