莒山煤矿92505薄煤层工作面矿压规律研究

2021-07-13宋超

煤 2021年7期

宋超

(山西兰花集团莒山煤矿有限公司,山西泽州 048002)

我国煤炭资源丰富，薄煤层分布广泛，约占煤炭资源总量的20.4%.与厚煤层相比，受限于开采高度的影响，薄煤层工作面作业空间狭小，支护难度较大，煤炭回收率低，安全事故频发[1-3]。因此，了解薄煤层工作面的矿压显现规律对于薄煤层开采具有重要的理论指导意义。本文以兰花集团莒山煤矿92505薄煤层工作面为工程背景，采用理论分析、现场监测等方法，对此问题进行分析研究。

1 工程概况

莒山煤矿井田位于山西省泽州县巴公镇三家村附近，92505工作面主采9号煤层，平均埋深230 m，地质构造简单，层理一般，节理较发育，煤层倾角3～8°，平均厚度1.14 m，直接顶为均厚2.6 m的砂质泥岩，砂泥岩上层为细砂岩，平均厚度2.7 m，直接底为均厚4.7 m的泥岩。

2 现场监测

对92505工作面进行矿压监测，共分两个周期进行现场数据的收集。第一个周期对金属摩擦支柱进行矿压监测，第二个周期对单体液压支柱进行矿压监测。在工作面上、中、下位置分别布置测站，每个测站设置两个监测点，对工作面支柱工作阻力进行监测，同时对92505运输巷及回风巷超前单体支柱工作阻力及回采巷道超前支护液压支柱的工作阻力进行监测。

2.1 工作面支柱现场监测数据分析

摩擦金属支柱和单体液压支柱两个周期的现场监测数据如表1所示。

表1 92505工作面现场监测数据

如表1所示，同位置的摩擦支柱与液压支柱相比，上、中、下3个测站的摩擦支柱初撑力分别为液压支柱的0.22、0.23、0.19，而平均工作阻力分别为0.54、0.45、0.49。由此可知，液压支柱的支护效果要远远优于摩擦支柱，对工作面的安全更有保障。

根据现场监测数据，两种支柱工作阻力变化情况明显不同。对于摩擦支柱，在工作面回采初期，并未出现明显的周期来压显现，当工作面推进到20 m以后，才出现较为明显的周期来压现象，周期来压步距约为10 m；当工作面推进到22 m及31 m时出现摩擦支柱工作阻力峰值。对于液压支柱，周期来压现象明显，周期来压步距约为10 m，当工作面推进到16 m时，出现液压支柱的工作阻力峰值。

92505工作面两种支护方式实际支护强度现场监测数据如表2所示。与摩擦支柱相比，92505工作面采用液压支柱支护时，支护密度平均减小34.8%，平均支护强度平均降低19.4%，来压期间支护强度平均降低36.4%.由此可知，采用液压单体支柱支护工作面时，支护效率更高。

2.2 超前单体支柱工作阻力现场监测数据

考虑到回风巷设备较少，更有利于现场监测设备的布置及数据采集，因此在92505回风巷布置综合测站进行矿压监测，在距离开切眼100 m范围内，每隔20 m布置1个综合测站，每个综合测站布置5类监测点，分别对单体支柱工作阻力、两帮移近量、顶板下沉量、底鼓量和顶板离层量进行监测，在每个监测点布置两根单体支柱。为保证监测数据的准确性，现场监测数据应安排专人定期采集、分析，并剔除其中异常数据，现场监测数据如图1所示。

表2 92505工作面两种支护方式支护强度

图1 回风巷现场监测曲线

如图1(a)所示，在工作面回采过程中，当单体支柱距离工作面60 m范围内时，单体支柱工作阻力开始显著增大，随着工作面的推进，单体支柱工作阻力呈周期性增大的变化趋势，周期来压约为10 m。在距离工作面15 m位置时，单体支柱工作阻力达到峰值，此后单体工作阻力逐渐减小至初撑力。通过对现场单体支柱工作阻力的监测，揭示了超前支承压力的变化规律，超前支承压力的影响范围为60 m左右，超前支承压力影响剧烈区为工作面前方20 m范围内，因此工作面超前支护范围30 m是合理且安全的。周期来压步距约为10 m，与工作面支护现场监测数据相吻合。如图1(b)所示，工作面回采过程中，在距离工作面60 m范围内，受超前支承压力的影响，巷道围岩开始收敛变形。两帮移近量最大值为35 mm，顶板下沉量最大值为72 mm，底鼓量最大值为37 mm，顶板离层量最大值为25 mm，与顶板下沉量相比，离层量较小，表明顶板支护效果良好，顶板没有发生明显离层，表明现有支护效果良好，可以满足矿方的安全生产需求。

3 薄煤层上覆岩层矿压规律研究与分析

现有研究结果表明，在工作面回采过程中，采场顶板岩层发生破断后，会形成类似于三角拱式的平衡结构[4-6]，当平衡结构岩块之间的摩擦力不足以保持岩块之间的平衡时，就会发生失稳，然后随着工作面的推进，岩块再次逐渐趋于稳定，这就是采场上覆岩层破断后经历失稳—稳定—再失稳—再稳定的过程[7-8]，因此才会产生周期来压。

通过现场监测可知，92505工作面在回采过程中周期来压较为明显，周期来压步距为10 m，因此在工作面回采过程中，顶板岩层破断后形成的岩块也经历了失稳—稳定的过程，最终形成稳定的平衡结构。但是由于工作面回采高度较小，对上覆岩层的扰度影响也相对较小，因此周期来压并不强烈，根据现场监测数据显示，巷道两帮移近量最大值为35 mm，顶板下沉量最大值为72 mm，底鼓量最大值为37 mm，顶板离层量最大值为25 mm，巷道变形量也相对较小，支护难度较低。