1303（上）综采面矿压显现特征实测分析

2021-05-19张华杰

江西煤炭科技 2021年2期

张华杰

（山西晋煤集团沁水胡底煤业有限公司，山西晋城 048000）

煤层开采后，覆岩在自身重力及其上部岩层的作用下变形破坏，从而在工作面处产生强烈的矿压显现，进而导致支架工作阻力的急剧变化，煤壁的破坏以及失稳等各种矿压现象，严重的将诱发安全事故[1-3]。因此，掌握工作面矿山压力显现规律并以此指导现场生产，对于矿井的安全高效生产具有十分重要的现实意义[4-5]。本文以胡底煤矿1303（上）综采面为工程实例，通过制定完善的系统监测方案，对工作面支架工作阻力及超前支承压力进行实时监测；详细分析了工作面来压情况、支架动载特点及超前支承压力特征。

1 工程概况

胡底煤矿地处沁水煤田的南部，行政上隶属山西省晋城市沁水县胡底乡，主采煤层为3 号煤层与15 号煤层。矿井设计生产能力为0.6 Mt/a，设计服务年限为22.4 a。主采3 号煤层位于山西组下部，上距下石盒子底砂岩（K8）31.74～42.33 m，下距山西组底砂岩（K7）3.30～9.69 m，距太原组顶部K6灰岩10.51～14.95 m，煤层全区稳定可采。

1303（上）工作面位于+200 水平3 号煤一盘区，工作面标高为+123～+182 m。该工作面北为5 条开拓大巷，东为1305（上）工作面（正在掘进），南为矿界，西为1301（上）工作面采空区。综采面长175 m，推进长度为794 m，工作面煤层厚度为5.20～6.15 m，平均厚度5.72 m，煤层倾角3°～10°，平均6°。煤层结构简单稳定，该工作面回采上分层平均采高在2.85 m。

2 矿压监测方案

2.1 工作面矿压监测

工作面矿压监测系统主要由YHJ60 型矿用本安型压力仪、YHC1 矿用本安型数据采集仪、数据传输适配器及相应的数据处理软件组成。通过对数据进行处理及分析进而判断直接顶初次跨落、老顶初次来压与周期来压情况。同时可以对液压支架工作状态包括工作阻力、初撑力等进行分析评价。

为便于监测，分别将1303（上）综采面分为上、中、下3 个测区，每个测区分别布置4 个YHJ60 型矿用本安型压力仪，结合测点布置情况，选择在1#、9#、19#、29#、39#、49#、59#、69#、79#、89#、99#、109#支架处安装压力仪进行矿压实时监测（见图1）。

图1 工作面矿压测区布置

2.2 超前支承压力监测

主要采用尤洛卡矿业安全工程股份有限公司生产的矿用应力检测系统进行超前支承压力进行监测，见图2。该系统主要由GYW25 围岩应力传感器（钻孔应力计）和FCH2G/1 矿用本安型手持采集器组成。传感器分别由液压枕、不锈钢油管及显示器等器件组成。在1303（上）综采面前方共布置7 个监测点用以监测超前支承压力分布情况，其中1#测点钻孔深度为8 m，2#～7#测点钻孔深度均为10 m。利用采集器每7 天对钻孔内应力数据进行一次采集，通过钻孔应力数据判断工作面走向超前支承压力的影响范围和强度，并用以指导工作面两巷超前支护范围及支护强度。

图2 矿用应力检测系统

3 矿压显现分析

3.1 来压步距

由于支架的工作阻力处于不断的变化当中，因此需要确定支架来压判据，用以判断顶板是否来压。通常，采用比较支架的实测循环阻力与各循环阻力平均值和其标准差之和的大小的方法作为判断顶板是否来压的依据，即：当P≥+σ时，顶板发生周期来压；P＜+σ顶板不发生周期来压。

各个测点支架循环阻力平均值的均方差可以由式（1）确定：

式中：σ为循环工作阻力平均值的均方差，MPa；n为实测循环个数；Pi为各循环的实测循环工作阻力，MPa；为循环工作阻力的平均值，MPa。

表1为各个测点处支架来压判据计算结果，可见工作面不同测点处的工作阻力具有明显的差异性，工作面两端头位置处的工作阻力最小，平均值在16～17 MPa 之间，而工作面中部位置处支架平均工作阻力相差并不大，说明在工作面中部顶板来压具有同步性。基本顶的初次来压步距为22.5～28.8 m，周期来压步距为6.2～14.4 m。

表1 各支架来压判据计算

3.2 支架来压

当基本顶破断岩块回转或切落将导致直接顶变形量的突然增加，当变形量增加至临界值时，直接顶发生失稳破坏。而基本顶由于周期性破断将冲击到直接顶和支架上，产生支架的动载效应，严重的将可能诱发压架事故[6]。工作面来压强度可以采用动载系数K来标识，其值由下式计算：

式中：Pz为支架在周期来压期间的平均工作阻力，MPa；Pf为支架在非周期来压期间的平均工作阻力，MPa。

表2为工作面开采期间不同测点处支架动载系数，可见工作面不同位置处支架的动载系数不尽相同，但总体上呈工作面下部区域动载系数较大，最大为2.78，最小为1.71，平均为2.18；工作面中部及上部动载系数则较小，中部平均为1.85，下部平均为1.71。

表2 工作面开采期间动载系数

3.3 超前支承压力

分别取1#、3#、5#、7#钻孔工作面超前支承压力观测数据进行分析，见图3。

图3 工作超前支承压力分布

1#钻孔内钻孔应力计安装位于煤壁内8 m深的位置，工作面不断向前推进，超前支承压力也不断增大；在距离煤壁约21 m 时，超前支承压力达到峰值，最大值为7.53 MPa，平均值为4.2 MPa，应力集中系数为1.79；超前煤壁11～73 m 区间应力最大。

3#钻孔内钻孔应力计均安装在距离煤壁10 m位置，工作面不断向前推进，超前支承压力不断增大；在距工作面煤壁距离约10 m 时，超前支承压力达到峰值，最大值为9.51 MPa，平均值为5.87 MPa，应力集中系数为1.62；超前煤壁7～62 m 区间应力最大。

5#钻孔，在距煤壁距离约9 m 处时，超前支承压力达到峰值，最大值达到9.99 MPa，应力平均值为4.35 MPa，应力集中系数为2.3；超前煤壁4～48 m区间应力最大。

7#钻孔，在煤壁约为26 m 处，超前支承压力应力达到峰值，最大值为7.31 MPa，平均值为3.64 MPa，应力集中系数为2.0；超前煤壁10～43 m 区间应力最大。

综上分析，可以将工作面前方煤体划分为三个区，分别为塑性区，弹性区，原岩应力区。其中塑性区煤体由于受到超前支承压力的作用首先达到极限强度，从而发生破坏，承载能力骤降；超前支承压力的峰值位置即为煤壁前方塑性区与弹性区交界处；超前支护范围应该将超前支承压力剧烈影响区包括在内，超前支护距离应在工作面前方70 m 范围内。