淺埋薄基巖中厚煤層綜采面礦壓顯現規律研究

潘黎明，賈光勝，3

(1.煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013;3.山西天地王坡煤業有限責任公司，山西晉城048021)

我國西部蘊藏有大量淺部煤田，最典型的是神府東勝煤田，是我國目前最大的煤田，也是世界七大煤田之一。神東礦區開采區域大部分集中在埋深100～150m以內的淺部，煤層的典型賦存特點是埋深淺、基巖頂板較薄、表土覆蓋層較厚。此類工作面頂板破斷通常為整體切落，易于出現頂板臺階下沉，礦壓顯現劇烈［1］。

目前，我國對淺埋厚煤層研究成果很多，比較集中于大采高工作面礦壓顯現規律的研究［2－6］，此類工作面，由于采高較大，工作面易發生煤壁片幫，端面冒頂，支架穩定事故率高，另一方面，采高增大，引起的覆巖活動空間更大，礦壓顯現劇烈［7－8］。相對而言，中厚煤層綜采面礦壓規律研究較少，此類工作面，由于采高較小，片幫、冒頂問題較少，但其礦壓顯現絕不緩和，曾發生過切頂壓架事故，造成巨大經濟損失［9］。本文對某礦淺埋深薄基巖中厚煤層綜采面礦壓顯現規律開展研究，為此類條件工作面安全高效開采、支護阻力確定等提供重要依據。

1 工作面概況

某礦4109工作面主采4－2煤層，煤層平均厚度2.8m，設計采高2.7m，煤層傾角小于3°，結構簡單，煤層堅固性系數 1.5～2.5。工作面長200m，推進長度1682m，埋深37～90m。鉆孔綜合柱狀圖顯示，煤層上方頂板由上往下依次為:黃土層厚度14.15m，砂質泥巖厚度15.05m，細粒砂巖厚度14.70m，頂板基巖厚度合計為29.75m，頂板基巖較薄，但比較完整、裂隙不發育。底板為砂質泥巖，厚度13.2m。

2 覆巖三帶分布情況分析

在近水平煤層長壁開采條件下，隨著回采工作面從開切眼開始推進，上覆巖層將會相繼出現垮落、開裂及彎曲下沉，并自下而上逐層擴展，一般可以形成冒落帶、導水裂縫帶和彎曲下沉帶。綜采工作面，冒落帶高度Hm，導水裂縫帶高度Hli的經驗公式見下式［10］:

式中，Hm為冒落帶高度，m;Hli為導水裂縫帶高度，m;ΣM為累計采厚，m。

4109工作面，采厚2.7m，基巖厚度29.75m，黃土層厚度14.15m，覆巖厚度43.90m，基巖與采厚之比為11.0。根據上述公式計算可得工作面冒落帶高度、導水裂縫帶高度分別為 (13.02±3.15)m，(38.22±2.36)m，最大冒落帶高度16.17m，最大導水裂縫帶高度40.58m，“兩帶”合計最大高度56.75m，超過基巖厚度與覆巖厚度。因此，工作面頂板裂縫擴展直達地表黃土層，覆巖只存在冒落帶、導水裂縫帶，而不存在彎曲下沉帶。

3 淺埋中厚煤層工作面礦壓顯現特征分析

4109工作面采用ZY6800/14/32型兩柱掩護式液壓支架，表1為支架參數。采用天地科技股份有限公司開采設計事業部自行研制的KJ21礦山壓力監測系統監測支架壓力，總共布置14臺支架壓力記錄儀，分別安裝在4號、14號、24號、34號、44號、54號、64號、74號、84號、94號、104號、114號、124號、134號14個支架上。工作面從2012年5月31日開始開采，工作面推進4.8m后，對工作面頂板實行深孔預裂爆破。工作面推進速度情況為:5月31日－6月4日，工作面平均推進速度為5.0m/d;6月5日－6月30日，工作面平均推進速度為10.7m/d，比較均衡，有少量單日進尺較小的情況。

表1 ZY6800/14/32型兩柱掩護式液壓支架主要技術特征

3.1 工作面來壓基本規律

部分支架實測工作阻力曲線，見圖1～圖3。由于工作面兩端頭支架來壓不明顯，主要選取中部支架進行觀測分析。表2為根據觀測數據計算所得的4109工作面頂板來壓判據。

圖1 4號支架工作阻力曲線

圖2 34號支架工作阻力曲線

表2 頂板來壓判據

3.1.1 初次來壓

根據數據分析及現場實際觀測，確定工作面推進至43.2m發生初次來壓，來壓步距51.2m(工作面開切眼8m)，工作面來壓步距較一致。來壓期間，支架壓力普遍增大，立柱安全閥大量開啟，動載明顯。來壓期間平均循環末阻力6678kN。來壓特征情況見表3。

3.1.2 周期來壓

圖1～圖3為工作面支架實測阻力曲線，圖中箭頭所標處為支架明顯來壓處。可以看出，沿工作面傾向，支架阻力呈現出一定的規律:中部支架來壓明顯、規律性強 (如34號支架)，來壓期間工作阻力明顯區別于非來壓期間;端部支架在開采期間，來壓不明顯 (如4號支架);114號支架屬于中部與端部壓力過渡支架，呈現來壓明顯，但來壓次數明顯較少，來壓步距極不規律。

圖3 114號支架工作阻力曲線

表3 初次來壓特征表

典型的54號支架循環末阻力曲線見圖4，各周期來壓根據頂板來壓判據及現場觀測確定，在圖中標明各周期來壓階段，根據支架循環末阻力曲線圖統計得出基本頂周期來壓特征 (見表4)。由圖及表4可以看出，初采期間，工作面共經歷了16次周期來壓，來壓步距最小為5.6m，最大為26.5m，平均為15.3m，動載系數最小為1.26，最大為2.02，平均為1.57，動載明顯，來壓期間平均循環末阻力為6746kN。

圖4 54號支架循環末阻力曲線

由圖4及表4中反應的信息可以看出，工作面各支架周期來壓步距、動載系數與來壓期間工作阻力總體上呈現一定的規律，礦壓顯現明顯。礦壓顯現與支架工作狀態、工作面推進速度、覆巖物理力學性質及覆巖運動所形成的“結構”等有重要的關系［8，11－12］。以 54 號支架為例，分析支架頂板來壓及工作阻力情況。

圖5為54號支架6月22日－6月29日工作阻力曲線特征分析圖，此段時間內，34號、54號、64號、74號支架工作阻力曲線類似。圖5中顯示了54號支架經歷了第12次來壓峰值段及第13～16次周期來壓，結合表4，可以得出，頂板破斷步距呈現“大—大—小—大”的變化，大小平均為“19.2m—16.8m—7.9m—18.0m”，小步距夾雜于大步距中，大步距平均18.0m、小步距平均8.0m，12～16次來壓持續長度呈現“長—短—短—短—長”的變化，大小約為“4.2m－2.4m－1.2m－2.4m－4.8m”。

第14，15次頂板來壓時，工作面推進速度較慢，循環持續時間長，支架安全閥長時間處于開啟狀態，不利于支架安全。第12，16次來壓峰值段，工作面推進速度較快，安全閥開啟較少或者幾乎沒有開啟。由此可見，來壓期間，加快工作面推進速度，減少循環時間，可使支架避免長期處于安全閥開啟狀態。

3.2 沿工作面傾向支架最大阻力分布

沿工作面傾向各支架最大工作阻力分布是判別頂板壓力沿工作面傾向壓力分布的一個重要指標。最大工作阻力沿傾向分布呈近似“幾”字型拋物線 (見圖6)，整個開采期間，中部支架最大壓力為7500kN左右，端部支架最大壓力不超過6000kN，說明在來壓期間，工作面中部支架工作面阻力明顯大于兩端，頂板破斷將首先發生在工作面的中部，兩邊延后破斷。

表4 基本頂周期來壓特征

圖5 54號支架工作阻力曲線特征

圖6 沿工作面傾向最大工作阻力分布

最大工作阻力最大值為7733kN，占額定阻力113.7%，最大工作阻力最小值為4862kN，占額定阻力71.5%，最大工作阻力最大值與最大工作阻力最小值之比值為1.59。

3.3 支架受力特征

3.3.1 工作阻力頻率分布

工作面初采期間，工作面推進速度較快且較均勻，工作面支架阻力一直處于壓力不大狀態，大部分支架阻力處于3000～6000kN，占84.2%，其中處于4000～5000kN的比例最大，占51.79%(見圖7)。

圖7 支架工作阻力頻率分布直方圖

3.3.2 平均初撐力與平均循環末阻力、來壓期間平均循環末阻力的關系

平均循環末阻力、來壓期間平均循環末阻力與平均初撐力 (見表5)的線性關系分別為:F1=F0+605，F2=F0+2612。可以看出，來壓期間，支架壓力增幅平均達2624kN。

在整個開采期間，中部支架平均初撐力達到支架設計初撐力的81.6%，平均循環末阻力達到額定工作阻力的69.7%。來壓期間，平均循環末阻力達到額定工作阻力的99.2%，支架安全閥在此期間內普遍開啟，觀測表明，持續時間較短，工作面整個開采期間沒有出現壓架等現象。

表5 支架平均初撐力、平均循環末阻力、來壓期間平均循環末阻力

4 工作面液壓支架適應性分析

按鉆孔綜合柱狀圖計算所得的覆巖靜載應力為:

式中，γ為單位體積黃土重力;H為黃土層厚度;γ0為單位體積基巖層重力;h為基巖層厚度。

p1小于但接近支架支護強度0.97～1.07MPa。由于地表起伏，埋深最大達90m，此處覆巖靜載應力將大大超過支架支護強度。考慮動載效應，動載系數取1.5，此時覆巖應力1.41MPa，亦將大大超過支架支護強度0.97～1.07MPa。

實際上，支架支護強度的確定不能按支架上方全部覆巖靜載應力與動載系數來考慮，原因在于:

(1)覆巖“承壓拱”結構［13］的存在 淺埋長壁采場上覆巖層中可以形成承壓拱結構，該結構具有承載作用，可有效保護回采空間，避免了切頂事故，并減輕了頂板對支架的壓力，防止了壓架事故的發生。

(2)足夠的支護阻力 工作面使用液壓支架額定支護阻力為6800kN，頂板來壓時，支架安全閥開啟，在推進速度較慢時，安全閥長時間開啟，處于不安全狀態。若支架壓力過小，工作面極易發生壓架事故，且有可能導致切頂事故。

實測結果表明，4109工作面礦壓顯現特征為:工作面頂板來壓明顯，來壓有大小步距現象，動載系數大，持續時間短，開采過程中，未出現切頂壓架事故。

總體來說，工作面所選ZY6800/14/32型兩柱掩護式液壓支架能夠較好適應此類淺埋薄基巖中厚煤層開采條件，支架選型較為合理。但鑒于來壓期間，工作面推進速度較慢時，安全閥長時間開啟的情況，建議可適量增大支架支護強度與支護阻力，根據實測，建議增大支架支護強度至1.07～1.17MPa，工作阻力增大至7500kN以上，支架將有更強的適應性。

5 結論

通過對采高2.7m、工作面長度200m淺埋薄基巖中厚煤層綜采工作面礦壓顯現規律研究，可以得出如下結論:

(1)工作面覆巖只存在冒落帶、導水裂縫帶，而不存在彎曲下沉帶。工作面最大冒落帶高度16.17m，最大導水裂縫帶高度40.58m， “兩帶”合計最大高度56.75m，超過基巖厚度29.75m與覆巖厚度43.90m，頂板若破斷將直達地表。

(2)工作面礦壓顯現特征為:工作面頂板來壓明顯，來壓有大小步距現象，動載系數大，持續時間短，開采過程中，未出現切頂壓架事故。支架支護強度的確定不能按支架上方全部覆巖靜載應力與動載系數來考慮，其根本原因在于覆巖“承壓拱”結構的存在及足夠的支護阻力。

(3)ZY6800/14/32型兩柱掩護式液壓支架能夠較好地適應此類淺埋中厚煤層開采條件，支架選型較為合理。但鑒于來壓期間，工作面推進速度較慢時，支架存在不安全狀況，建議可將支架增大支護強度至1.07～1.17MPa，將工作阻力增大至7200kN以上，支架將具有更強的適應性。

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