414108工作面矿压观测方案设计615讲解.docx
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414108工作面矿压观测方案设计615讲解
内蒙古双欣矿业有限公司
414108综采工作面矿压观测方案
内蒙古双欣矿业有限公司
山东科技大学
矿业与安全工程学院
2015年6月10日
414108工作面矿压观测方案
目录
目录.................................................................................................................0
1矿压观测的目的和意义.................................................................................1
2工作面概况及开采技术条件.........................................................................3
2.1工作面概况................................................................................................................3
2.2工作面顶板控制及采煤方法....................................................................................5
3矿压观测方案设计.........................................................................................9
3.1414108工作面矿压观测...........................................................................................9
3.2工作面底板比压测定................................................................................................11
3.3超前支承压力分布规律观测..................................................................................16
3.4顺槽围岩稳定性（支护体系）评估......................................................................18
3.5顶板离层观测..........................................................................................................20
3.6工作面侧向支承压力监测......................................................................................21
4项目研究预期目标.......................................................................................23
5研究进度及经费预算...................................................................................24
414108工作面矿压观测方案
1矿压观测的目的和意义
414108工作面为双欣煤矿41采区首采工作面，开采4-1煤层，在该工作面正上方大约0-1875m范围内为实体煤，1876-3257范围上部为222201工作面采空区，且414108工作面在1876-3257范围内两顺槽为内错布置，其中辅助顺槽内错14.5m，胶带顺槽内错24.5m。
414108工作面采用综合机械化走向长壁后退式一次采全高采煤法回采工艺，全部垮落法管理顶板，工作面每天回采19个循环，每循环进尺0.8m，平均割煤高度5.5m。
工作面端头选用ZYT11000/25/50D型端头液压支架7架，ZYG11000/25/50D型过渡支架4架，中间支架选用ZY11000/28/63D型支撑掩护式支架109架，支架全部使用北京天地玛珂电液控制系统有限公司国产SAC型电液控制系统；ZY11000/28/63D型支撑掩护式支架最大控顶距6220mm，最小控顶距5420mm；工作面运输顺槽和辅助运输顺槽采用两组ZCZ15000/25/42型超前支架组，超前支架最大支护高度4.2m，总宽度3560mm；辅助运输顺槽和胶带运输顺槽均采用超前支架的方式进行支护，支护长度分别为24.5m、21.5m。
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414108工作面矿压观测方案
由于414108工作面埋深较浅，在132-169m之间，同时该工作面直接顶为细粒砂岩，厚度30.64m，物理力学特性尤其是单轴抗压强度未知（灰白色，巨厚层状，成分以石英为主，长石次之，含云母，半坚硬，粉砂填隙，分选中等，细粒砂状结构，均匀层理。
从成分来看以石英为主，强度可能属于中硬覆岩，建议进行岩石成分分析及基础力学试验），直接顶为砂质泥岩，厚度6.34m，强度未知（灰色，半坚硬，参差状断口，泥质结构，风化破碎，水平纹理。
强度可能属于软弱底板，建议进行岩石成分分析及基础力学试验）。
由于414108工作面属于浅埋煤层，同时采高较大，矿压显现剧烈、顶板来压强度大，如不加以有效控制，会严重影响生产的正常进行。
另外，工作面开采时的围岩活动引起了上覆岩层活动规律的变化而带来的两巷煤柱的合理留设问题、两巷的合理支护形式和参数问题、支架的合理选型与综采技术配套等问题不仅为414108工作面的安全回采提供依据，同时通过该工作面的研究可为41采区其它工作面安全高效生产提供科学依据。
本次研究的主要内容包括：
（1）414108工作面矿压显现规律研究
①工作面初次及周期来压步距分析；
②工作面超前应力分布规律研究；
③工作面支架适应性评价。
（2）414108工作面顺槽支护体系评价
①巷道围岩状态观测；
②锚杆、锚索工作阻力观测；
③巷道收敛变形观测。
（3）工作面区段煤柱合理留设
①实体煤下，现场观测及研究范围0~450m；
②22煤采空区下，现场观测及研究范围1800m~2250m。
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414108工作面矿压观测方案
2工作面概况及开采技术条件
2.1工作面概况
2.1.1工作面位置及井上下关系
414108工作面为杨家村煤矿41采区第一个采煤工作面，工作面开采4-1煤层，该工作面西侧15m为222203工作面采空区，东侧15m为222201工作面采空区，上部、下部煤层均未开采，均为实炭区，具体情况详见表2.1所示。
表2.1工作面位置及井上下关系表
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414108工作面矿压观测方案
2.1.2地质构造
根据巷道实际揭露和地质资料，414108工作面地质构造较简单，没有陷落柱、火成岩侵入等其他因素，存在的断层对工作面的开采有一定影响。
井田位于东胜煤田的中南部，其构造形态与区域含煤地层构造形态一致，总体为一向南西倾斜的单斜构造，地层产状平缓，煤岩层走向102°～152°，倾向192°～242°，倾角0°～10°，平均1°。
（1）414108辅助运输顺槽撤面道往里1286m揭露一正断层：
倾向140°倾角50°落差2.3m。
对工作面回采影响较大。
（2）414108胶带运输顺槽撤面道往里1494m揭露一正断层：
倾向120°倾角75°落差2.0m。
对工作面回采影响较大。
（3）工作面回采至850m处时受巴龙图背斜的影响，附近坡度变化较小约为3°对工作面的影响不大。
综合分析，这两条断层延展方向大体一致，有可能是同一条断层横穿工作面，工作面回采至该位置时要制定过断层专项措施，强化顶板管理，确保安全生产。
2.1.3煤层及煤层顶底板
（1）煤层
4-1煤层位位于延安组二段中部，上距3-1煤层26.59～50.01m，平均36.53m。
下距5-1上煤层15.00～35.13m，平均21.39m。
煤层总厚度2.50～6.52m，平均5.38m。
可采见煤点煤层利用厚度2.20～6.45m，平均5.30m，属厚煤层，呈现东厚西薄。
该煤层结构简单，西、中部不含夹矸，东部少数孔含1层夹矸，井田南部含1～2层夹矸。
煤层厚度稳定，可采性指数1，厚度变异系数15%，属于全区可采的稳定煤层。
煤层顶、底板主要为砂质泥岩，其次是粉砂岩和细粒砂岩。
414108工作面煤层变化稳定，煤层厚度为4.90～6.00m，平均5.50m煤层结构简单含一层细小夹石。
（2）煤层顶底板
414108工作面煤层顶底板情况如表2.2所示。
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414108工作面矿压观测方案
表2.2煤层顶底板情况表
2.1.4水文地质条件
414108工作面水文地质条件较简单,工作面顶底板无强含水层，只有弱含水层。
矿井2-2上煤层大部分已经回采完毕并形成采空区，采空区低洼处内不同程度的出现积水
区，影响下部4-1煤层的采掘活动。
根据已回采完毕的2-2上煤层222201、222203、222207、
222206、222204、222205工作面和正在回采的222202工作面回采时面后最大涌水为13m3/h，正常涌水量6m3/h，预计该工作面回采期间最大涌水量为24m3/h，正常涌水量16m3/h。
2.2工作面顶板控制及采煤方法
2.2.1工作面顶板控制
工作面两顺槽均采用超前支架进行维护，所以单体支柱等支护材料使用相对较少，只做少量备用；备用支护材料应存放在辅助运输顺槽的外侧料场处，材料分类码放整齐，实行挂牌管理，标明材料名称、型号、数量等内容，并由专人负责。
材料存放地点必须保证有0.8m宽的人行道和必须的运输通道。
工作面支护材料的使用数量表如表2.3所示：
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414108工作面矿压观测方案
表2.3支护材料的使用数量表
（1）工作面两顺槽的超前支护
①414108辅助运输顺槽采用超前支架的方式进行支护，支护长度24.5m。
超前支护支架由两组ZCZ15000/25/42型超前支架组组成，超前支架最大支护高度4.2m，总宽度3560mm。
每架由左右支撑部，中间靠两组液压千斤顶上下连接，能够对不同层面的巷道顶板形成有效控制。
②414108胶带运输顺槽采用超前支架的方式进行支护，支护长度21.5m。
超前支护支架由两组ZCZ15000/25/42型超前支架组成，超前支架最大支护高度4.2m，总宽度3560mm。
两架超前支架之间用拉移千斤顶相连，前端超前支架通过推移座与转载机连接，每架由左右支撑部，中间靠两组液压千斤顶上下连接，能够对不同层面的巷道顶板形成有效控制。
（2）正常工作时期顶板支护方式
在采煤机割煤后，先移支架，再移刮板输送机，移架步距0.8m。
采用带压移架的方式移架，正常移架要滞后采煤机后滚筒3～5架，最多不得超过6架。
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414108工作面矿压观测方案
（3）特殊时期顶板支护方式
①来压及停采前的顶板管理
工作面周期来压期间，应加强顶板管理，当发现面前煤帮片帮时必须由一端向另一端（坡度较大时由下向上）拉移超前支架，并保证初撑力不小于24MPa；工作面支架以及辅助顺槽、胶带顺槽超前支架必须达到初撑力规定要求，确保支护强度。
②过断层及顶板破碎时的顶板管理
当煤层结构发生变化时，顶板会变的破碎，支架与顶板条件不适应时往往会产生端面冒顶，影响生产。
在这种情况下，破碎顶板管理的重点是采取措施防止顶板局部冒落事故的发生。
主要措施有：
超前移架和带压擦顶移架。
（4）414108胶带运输顺槽支护方式
巷道顶部采用全螺纹钢树脂锚杆与锚索联合支护。
一排布置5条锚杆，锚杆间排距1100×1000mm；另一排将两端向里第二条锚杆改为锚索支护，锚索布置在巷道中心线左、右侧第二个钢带眼内，锚索间排距为2200×2000mm，间隔布置。
锚杆规格为φ18×2200mm，锚杆托盘规格为150×150×8mm，每条锚杆采用两块CK2350型树脂药卷。
锚索规格为φ15.24×6200mm，每条锚索采用三块CK2350型树脂药卷，锚固力大于100KN，钢带规格为5000×60×3mm，采用规格为φ4×5200×1100mm的金属网，网格100×100mm。
巷道呈矩形，净宽5.2m，净高3.6m，用于工作面的回风，煤炭运输。
（5）414108辅助运输顺槽支护方式
巷道顶部采用全螺纹钢树脂锚杆与锚索联合支护。
巷道永久支护一排布置5条锚杆，锚杆间排距1100×1000mm；另一排将中间向外的第二条锚杆改为锚索支护，锚索布置在巷道中心线左、右侧第一个钢带眼内，锚索间排距为2200×2000mm，间隔布置。
锚杆规格为φ18×2200mm，锚杆托盘规格为150×150×8mm。
锚索规格为φ15.24×6200mm，每条锚索采用三块MSCK2350型树脂药卷，锚索托盘规格为长×宽×厚=250×250×16mm。
钢带规格为5000×60×3mm，金属网规格为φ4×5200×1100mm，网格100×100mm。
巷道呈矩形，净宽5.0m，净高3.6m，用于工作面进风，辅助运输。
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414108工作面矿压观测方案
2.2.2采煤方法
414108工作面采用综合机械化走向长壁后退式一次采全高采煤法回采，全部垮落法管理顶板。
（1）工艺流程：
割煤→移架→推移刮板输送机。
（2）落煤方式：
使用MG900/2210-GWD型电牵引双滚筒采煤机双向截割煤体，前滚筒割顶煤，后滚筒割底煤。
根据设备技术参数及地质情况，平均采高为5.5m。
工作面留顶、底煤回采，加强工作面储量管理。
（3）装煤：
采煤机滚筒截割装煤和工作面刮板输送机前移配合装煤。
（4）运煤：
刮板输送机将煤运到胶带运输顺槽桥式转载机，再由转载机与胶带运输顺槽胶带输送机搭接将煤运出。
（5）支护：
工作面采用双柱掩护式液压支架支护顶板，两顺槽超前支护采用超前支架组支护。
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3矿压观测方案设计
3.1414108工作面矿压观测
3.1.1监测设备选择
矿方在414108工作面安设了尤洛卡矿业安全工程股份有限公司的KJ216顶板压力在线监测系统，如图3.1所示。
系统包括三个组成部分：
（1）计算机及数据处理软件；
（2）数据采集器；（3）井下压力监测分机。
综采支架顶板压力在线监测系统功能：
（1）实时监测综采支架的瞬时工作阻力，监测数据可现场实时显示，井上计算机以直方图、数据等显示；
（2）监测分站监测支架初撑力、最大工作阻力等数据；（3）通讯分站显示各测点的数据；（4）计算机软件实现了数据接收、原始曲线和数据查询、动态直方图显示，循环工作阻力自动识别和曲线报表综合处理并具有曲线打印输出功能。
图3.1KJ216型综采支架监测系统
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3.1.2监测设备的安装
从工作面切眼开始，支架安装井下压力监测分机，对综采支架初撑力、工作阻力进行连续监测；工作面每隔10架安装1台，安装在工作面（不包括端头液压支架）11#、21#、31#、41#、51#、61#、71#、81#、91#、101#、109#液压支架，总计12台压力监测分机。
综采支架在线监测系统的安装应在支架安装的同时或在开采前进行，测量观测仪器布置如图3.2所示。
图3.2工作面观测仪器布置图
3.1.3观测要求
支架工作阻力监测作为日常支架工况监控的手段，从工作面开始回采时连续观测，每天三班要记录相应的工作面宏观矿压情况，包括工作面推进度、煤壁片帮、顶板冒落、支架倾斜以及顶梁仰俯角度等情况。
3.1.4主要研究内容
（1）主要为了分析工作面矿压显现特征，确定工作面初次跨落步距、初次来压和周期来压和来压强度，掌握工作面推进工程中支架初撑力、工作阻力及循环末阻力、左右柱平衡性等特征；
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（2）评价支架工作状态，进行直接顶分类和基本顶分级。
3.2工作面底板比压测定
3.2.1底板比压测试的意义
采场支护和底板的相互作用是采场围岩控制和支架设计优化的重要问题，底板比压测试是煤矿支护参数设计与选取的重要工程依据。
实践表明，只注意顶板管理而忽视底板管理往往会给生产管理带来很大困难，特别是在松软顶底板条件下发生移架、控顶困难的条件下，其重要原因之一就是底板容许比压过小，使工作面整个支护系统遭到破坏，支架（或支柱）压入底板所致。
另外，这种支架（或支柱）压入底板的趋势愈严重，即压入量愈大，不但造成顶板下沉量增大，顶板破碎度增大，而且降低了支架（或支柱）的有效支撑力，导致生产管理的困难。
因此测定煤层底板岩层的抗压入强度、底板容许比压等底板岩层力学参数对采场底板控制设计、生产管理和支架的优化设计具有重要意义。
采煤工作面上覆岩层的压力，通过煤壁前方煤体、工作面内和巷道中的支护设备及采区矸石传递到底板岩层上，使其产生不同程度的破坏，因此在生产现场直接测定底板的抗压入强度和穿透度等参数，数据比较可靠。
3.2.2底板比压测试原理
Pz/MPa
Pz
/MPazdzd
图3.3脆性变形下支柱载荷与钻底量关系图3.4塑性变形下支柱载荷与钻底量关系
底板比压测试是对工作面煤层底板进行破坏性测试，计算出底板的压强。
煤层底板
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414108工作面矿压观测方案
的破坏有一个从量变到质变的过程，底板在承受支柱载荷时，底板产生弹性变形，当支柱工作阻力增大，底板弹性变形随之增大，达到弹性变形极限后，底板就发生脆性变形，发生底板脆断。
底板破坏与支柱突然压入底板是同时发生的突变现象，这种现象可通过支柱载荷与钻底量关系曲线上存在峰状反映出来（图3.3）。
这个峰值载荷即为底板的极限抗压强度或承载能力（PZ）。
还有的底板承载后出现较显著的塑性变形，其特征是支柱载荷与钻底量曲线上没有明显峰值（图3.4）。
对于这种情况，应结合顶板管理上的需要，在顶板下沉量允许值内以载荷PZ和钻底量hzd曲线曲率变化较显著的点作为底板极限承载力的标准。
3.2.3底板比压仪器介绍
此次试验采用仪器为DYB—3型静压式底板比压仪。
DYB—3型静压式底板比压仪结构如图3.5
3.7。
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414108工作面矿压观测方案
1—压模上壳2—工作面支柱3—紧固螺栓4—压模立柱
5—压模
图3.6压模结构图
图3.7DYB—3型静压式底板比压仪实物图
DYB-3型静压式底板比压仪，它由单体液压支柱、手压注液加压泵、单体柱定位座及Φ40、Φ60、Φ80、Φ110mm四个压模组成，对于工作面底板为泥岩，底板抗压强度较小，根据实际情况也可选用大直径的底座压模（如200mm~300mm直径）。
使用时，根据底板硬度情况选择压模，这种比压仪较适合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类底板测量。
采用DYB-3型静压式底板比压仪，对底板比压进行qwAS测试。
由于比压仪顶盖比底座压模的承压面积大，仪器产生的推压力对底板产生的比压大于顶板，因此，当仪器施压时，仪器主要是向下延伸，并使底座压模压入底板。
压模压入底板的深度是随着对底座压模产生的比压（可通过压力表所示的油缸压力换算而得）的变化而变化的。
3.2.4仪器的安装及使用
DYB-3型静压式底板比压仪使用步骤如下：
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414108工作面矿压观测方案
（1）清理浮煤、浮矸，平整柱窝，漏出要观测的底板；
（2）清理顶板，顶板要平整，勿使仪器顶盖与荆条、木梁、破碎顶板等软碎物接触；（3）安设仪器的要点是垂直于顶、底板，接触真顶和真底；
（4）一般底座压膜直径的规格有Φ40mm、Φ60mm、Φ80mm、Φ100mm和Φ130mm五种供使用，对于工作面底板为泥岩，底板抗压强度较小，根据实际情况选用大直径的底座压模（如200mm~300mm直径），由于222205工作面底板为砂质泥岩，故选择Φ200mm的底座压膜；
（5）将仪器安放在清理好的柱窝里，一人手扶仪器，另一个人手摇泵压，使活柱伸出，直至接触顶板，仪器具有一定的支撑力后，可以不用人扶而自立为止；
（6）仪器安设好以后，即可测读数据，首先记录压力表与压入深度的初读数，然后按一定增量加压（每次递增1.25Mpa油压），并记录下每次泵压压力表与压入深度的观测数据。
表3.1底板比压测定记录表
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414108工作面矿压观测方案
（7）泵压操作时，压力表读数不要超过从仪器最大额定工作压力换算来的极限值，否则仪器将会发生变形破坏，一般加压到10MPa~15MPa。
3.2.5测区布置
在工作面内布置3个测站，分别在工作面的上、中、下部各安排一个测站。
第I测站位于工作面前端头支架之间，第II测站位于工作面中部支架之间，第III测站位于工作面后端头支架之间，每个测站在距离煤壁1m范围内平行布置三个测点进行观测。
一般按图
辅助运输顺槽
运输顺槽
图3.8414108工作面底板比压测试布置示意图
一般每个工作面选择上、中、下部在周期来压后进行两次测试，然后经计算后整理数据见表3.2所示。
表3.2底板比压及底板刚度汇总表
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3.2.6主要研究内容
（1）工作面底板分类。
（2）支架适应性评价。
3.3超前支承压力分布规律观测
3.3.1观测内容
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（1）实体煤区域
（2）222201工作面采空区
3.3.2仪器安装
观测采用矿用本安型压力计对超前支护单体液压支柱工作阻力进行监测，在运输顺槽从与414108工作面切眼平行位置处开始沿工作面推进方向40m、80m、120m处分左右两侧分别支设两棵单体液压支柱并安装压力计。
在辅助运输顺槽中距414108工作面切眼100m处开始沿工作面推进方向50m、100m、150m处分左右两侧分别支设两棵单
图3.9超前单体液压支柱支护阻力观测点位置
3.3.3数据采集
所安装的单体液压支柱数字压力计每隔5分钟自动记录一次当时的压力数值，并进行自动存储。
数据搜集采用人工采集的方式进行，原则上每天利用数据采集器采集一次数据，但仪器可以自动记忆5天以内的存储数据，可以2～3天采集一次。
本次观测计划两天采集一次数据。
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414108工作面矿压观测方案
3.3.4观测要求
本次超前压力观测在安装观测设备后414108工作面推进至距414108工作面切眼100m时开始测量，测量距离直至工作面推进150m为止。
观测的同时，要求记录巷道与工作面顶底板、两帮压力与破坏的宏观显现，以及工作面的推进情况。
3.3.5主要研究内容
（1）超前支承压力范围及分区。
（2）荷载的集中程度。
3.4顺槽围岩稳定性（支护体系）评估
3.4.1巷道收敛变形观测
（1）仪器安装
采用在运输顺槽、辅助运输顺槽的两帮与顶底板上设置基点的方法进行观测，基点材料采用长500mm的钢钎制作，然后用铁锤打入巷帮和顶底板，并保持平直，观测利用手持式激光测距仪（或钢卷尺）测量。
观测断面位置：
胶带运输顺槽从与414108工作面切眼平行位置处开始沿工作面推进方向20m、40m、60m、80m、100m、120m处；辅助运输顺槽从距414108工作面切眼100m处开始沿工作面推进方向50m、100m、120m、140m、160m、180m、200m、220m处，分左右按照运输
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