大倾角工作面顶板矿压观测研究

杨晓寒， 刘喜兵

(1.汾西矿业集团水峪煤业，山西 孝义 032302；2.汾西矿业集团五人小组管理局，山西 介休 032000)

大倾角工作面顶板矿压观测研究

杨晓寒1， 刘喜兵2

(1.汾西矿业集团水峪煤业，山西 孝义 032302；2.汾西矿业集团五人小组管理局，山西 介休 032000)

以某矿1224大倾角工作面为研究对象，在工作面上、中、下3段各选5组支架，观测在行进过程中支架受力及在工作面两顺槽内布置的观测站，观测巷道顶底板、两帮随着工作面的推进巷道围岩变形。研究结果表明，该工作面倾向中部区域支架载荷最大、上部次之、下部最小，皮带运输巷侧向支承压力较大；在工作面上、中、下区域内来压步距、来压强度以及来压顺序不同，表现出时间的不同步，强度的不一致。

大倾角；矿压观测；巷道变形

某煤矿1224综放工作面在生产过程中出现液压支架倾倒、下滑严重，支架移架、调架困难，工作面中上部易发生漏顶、煤壁片帮等问题。这些问题严重影响工作面正常生产，对工作人员安全构成威胁，制约着矿井生产效益的提高。随着后续15、16采区接替开采，煤层倾角可达到48°以上，上述问题将会更加严重，工作面安全高效开采难度将会更大。

1224综放工作面隶属于12采区，主采2#煤，煤层埋藏深度约为400 m。工作面倾斜长度为178 m～188 m(平均183.7 m)，煤层厚度为6.8 m～9.8 m(平均8.15 m)，煤层倾角为30°～39°(平均34.5°)。直接顶厚度为6.35 m，主要由泥岩和炭质泥岩组成。基本顶厚度为35.4 m，主要由中粒砂岩和粉砂岩组成。底板厚度为22.0 m，主要由粉砂岩和炭质泥岩组成。

1224综放工作面主要巷道有，工作面回风巷、工作面切眼、工作面胶带运输巷和机运辅联络巷。工作面回风巷为矩形巷道，净宽3.8 m，净高3.2 m；工作面切眼为矩形断面，斜长为187.3 m，净宽为7.5 m，净高为3.2 m；工作面胶带运输巷为矩形巷道，净宽5.0 m，净高3.2 m；工作面机运辅联络巷为矩形巷道，净宽2.6 m，净高2.8 m。

通过对某煤矿1224工作面矿山压力现场观测，获取大倾角煤层综放工作面液压支架工作阻力分布规律，工作面基本顶初次来压、周期来压规律，工作面超前支承压力分布特征。

通过对现场实测数据分析，掌握工作面矿山压力显现的一般规律，进一步研究矿山压力显现的力学机制，分析工作面顶板结构特征及其与支架相互作用关系。同时，为某煤矿后续工作面及回采巷道布置方式、回采工艺选择、设备配置提供依据[1]。

2.1 矿压观测的方法

2.1.1 支架压力监测

采用工作面现有的ZFS8600/18/35D系列液压支架SAC型电液控制系统，进行工作面液压支架支柱压力监测。工作面共有98套基本架，工作面每套液压支架均装备一套SAC型电液控制系统，沿工作面倾向选取上、中、下3个区域设为支架支柱压力监测站。每个区域选择5台液压支架为一组，进行支架支柱压力的监测。具体分组为：工作面上部区域的94#、92#、90#、88#、86#支架为第1组；工作面中部区域的54#、52#、50#、48#、46#支架为第2组；工作面下部区域的14#、12#、10#、8#、6#支架为第3组。采用卷尺和坡度仪定期对测站内支架立柱伸缩量和倾斜角度进行测量。

2.1.2 回采巷道变形监测

采用“十字布点”法监测工作面回风巷和皮带运输巷顶底板移近量及两帮移近量。在工作面回风巷、皮带运输巷中共安设7个测站，测站布置位置如图1所示。回风巷中设置3个测站，编号依次为1#、2#、3#，距巷口距离分别为195、240、310 m；皮带运输巷中设置4个测站，编号依次为7#、6#、5#、4#，距巷口距离分别为50、80、110、150 m。

图1 巷道表面位移测站布置

2.1.3 矿压观测周期

工作面矿压观测时间从2014年5月20日开始至2014年6月28日，历时39 d。

2.2 工作面支架压力特性

对所获得的工作面上、中、下部区域测站中的液压支架支柱压力数据进行统计分析[2]，得出工作面上、中、下部区域支架支柱压力随工作面推进变化关系曲线图(见图2～图4)。

图2 工作面上部区域支架支柱压力随工作面推进变化

通过分析图2～图4以及工作面液压支架支柱压力监测数据，得出工作面液压支架载荷随工作面采动以下特征[3]：

1) 工作面支架载荷大小沿工作面倾向非对称分布明显，工作面倾向中部区域支架载荷最大、上部次之、下部最小。中部支柱压力均值为27.4 MPa，上部支柱压力均值为25.8 MPa，下部支柱压力均值为23.8 MPa。表明，沿工作面倾向顶板结构具有非对称性特征；工作面倾向的不同区域工作面顶板结构形成的层位不同：工作面下部区域顶板结构位于直接顶岩层中，中部区域顶板结构位于基本顶岩层中，上部区域顶板结构位于基本顶的上覆岩层中。证实了，顶板岩层中倾向砌体结构和承载拱结构的存在，并且覆岩承载拱结构沿工作面倾向具有非对称特征。

图3 工作面中部区域支架支柱压力随工作面推进变化

图4 工作面下部区域支架支柱压力随工作面推进变化

2) 基本顶周期来压沿工作面倾向不同区域呈现出不同的特征。工作面上、中、下部区域内来压步距、来压强度以及来压次序不同，呈现出时间的不同步、强度的不一致。一般工作面上部来压强度适中，步距小；中部来压强度大，来压步距适中；下部来压强度小，步距大。一般来压次序为，先上部来压、后中部来压、最后下部来压。

3) 工作面倾向不同区域支架载荷非均衡明显，工作面上部区域支架载荷不均衡性最大、中部次之、下部最小。运用数理统计学的相关知识，得出工作面不同区域支架支柱压力的方差值分别为，上部为36.3，中部为27.3，下部为15.6。主要原因可能是，由于工作面上部区域顶板垮落高度大、顶板形成结构的岩层高，导致支架有时处于空载，有时受到大块岩体的冲击载荷作用(结构破坏)，所以支架受力波动性较大；而中部区域项板结构形成的层位正常，支架与围岩之间的相互作用较稳定，所以中部支架载荷的均衡性较好；下部区域由于顶板结构形成的岩层较低，并且结构容易维持稳定，支架与顶板围岩间相互接触紧密，支架压力比较稳定。

4) 工作面周期来压明显，大约每隔5 d来压1次，周期来压步距约为20 m。周期来压时支架支柱压力约为33.2 MPa，不来压时支架支柱压力为25.7 MPa，来压强度比为1.29。

2.3 巷道表面变形特征

巷道表面位移包括巷道顶底板移近量和两帮移近量。对某煤矿1224工作面回风巷和皮带运输巷巷道表面位移观测所得数据进行处理后，得到巷道顶底板、两帮移近量与工作面距离关系曲线图(如图5～图8)。

图5 回风巷1#测站顶底板移近量与距工作面距离曲线

图6 回风巷1#测站两帮移近量与距工作面距离曲线

图7 皮带运输巷7#测站顶底板移近量与距工作面距离曲线

图8 皮带运输巷7#测站两帮移近量与距工作面距离曲线

通过对巷道表面位移与距工作面距离关系曲线图进行分析发现，工作面回风巷和皮带运输巷巷道表面变形具有以下特征[4]：

1) 观测期间，工作面回风巷和皮带运输巷各观测断站巷道顶底板累计移近量、两帮累计移近量变形趋势随着观测站距工作面距离的减小而呈阶梯式增加。表明，测站巷道在观测周期内受到多次工作面超前支承压力的作用。

2) 工作面回风巷、皮带运输巷表面累计变形量大约每隔30 m就出现一次阶梯式增加，累计变形速度(曲线的斜率)增大。表明，工作面超前支承压力的显着影响范围大约位于工作面前方30 m内，此范围内巷道变形严重，矿压显现强烈[5]。

3) 当观测站与工作面的距离大于80 m时，巷道表面累计变形速度较小，巷道围岩趋于稳定。表明，工作面超前支承压力的最大影响范围大约为工作面前方80 m。

4) 观测期间，回风巷顶底板移近量最大为60 mm，最小为10 mm，两帮移近量为10 mm；皮带运输巷顶底板移近量最大为110 mm，最小为10 mm，两帮移近量最大为15 mm，最小为3 mm。表明，工作面超前支承压力对顶底板的破坏作用大于对两帮的影响；侧向支承压力对皮带巷的影响大于对回风巷的影响。相对回风巷而言，皮带巷受到顶板侧向支承压力大。

通过现场观测，获得随工作面推进时的支架载荷变化、巷道顶底板以及两帮移近量。对获得的有关数据进行处理分析，得出工作面支架载荷变化特征以及巷道表面变形特征：

1) 工作面周期来压明显，周期来压步距约为20 m，来压时支架压力约为33.2 MPa，不来压时支架压力为25.7 MPa，来压强度比为1.29。工作面前方支承压力的影响范围为30 m～80 m，其对工作回采巷道的显着作用范围在工作面前方30 m以内。工作面皮带运输巷侧向支承压力较大，导致皮带运输巷表面变形较大。基本顶周期来压沿工作面倾向不同区域呈现出不同的特征，在工作面上、中、下区域内来压步距、来压强度以及来压顺序不同，表现出时间的不同步、强度的不一致。

2) 工作面支架载荷大小沿工作面倾向非对称分布明显，工作面倾向中部区域支架载荷最大、上部次之、下部最小。顶板结构沿工作面倾向形成非对称承载拱结构，并在承载拱结构的下方形成倾向砌体结构，都对工作面支架起保护作用。承载拱结构承担了其上覆岩层自重，阻止了基本顶上覆岩层对其下方砌体机构和支架传递力的作用；而倾向砌体结构承担了一部分基本顶岩层自重，减小了基本顶岩层对支架传递力的作用。

[1] 胡国伟，靳钟铭.大采高综采工作面矿压观测及其显现规律研究[J].太原理工大学学报,2006，37(2):20-24.

[2] 汤建泉，粟才全，李英德.现场矿压观测方案设计[J].煤矿开采,2008，13(1):15-17.

[3] 苏学贵，李彦斌，田万寿.煤矿巷道支护与矿压观测研究[J].太原理工大学学报,2008，39(15):87-90.

[4] 汪青仓，赵永飞.浅埋深工作面矿压观测[J].矿山压力与顶板管理,2004(9):30-34.

[5] 于朝辉.红柳煤矿软岩巷道矿压观测及变形特征研究[D].西安：西安科技大学,2012.

Researchonminepressureobservationofroofinlargeinclinedangleworkingface

YANGXiaohan1,LIUXibing2

(1.ShuiyuCoalIndustryofFenxiMiningIndustryGroupCo.,Ltd.,XiaoyiShanxi032302,China;2.AdministrationofFivePeopleTeam,FenxiMiningIndustryGroupCo.,Ltd.,JiexiuShanxi032000,China)

Taking 1224 large inclinedangle working faceof a mine as research object,selecting five groups of stents in upper, middle and lower working face. In the course of travel, with support force observation andobservation station arranged in two grooved of the working face, the top andbottom sides of the roadway, and thedeformation ofsurrounding rock in roadway are observed with the advancing of the working face. The research results show that support load in central area of the working face is the largest, the upper is the second and the lower is the least.Lateral abutment pressure of belt transport laneis bigger. The different pressure interval, compressive strength and order of pressure in upper, middle and lower working surface showthe asynchrony of time, and inconsistence of the strength.

large inclined angle; mine pressure observation; roadway deformation

2017-02-20

杨晓寒，男，1985年出生，2012年毕业于太原理工大学采矿工程专业，采矿工程师。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.03.37

TD32

A

1004-7050(2017)03-0107-04

煤矿工程