神東礦區8 m 大采高工作面礦壓顯現規律研究

陶志勇，李金剛

(神東煤炭集團補連塔煤礦，內蒙古鄂爾多斯 017209)

0 引言

我國煤炭在一次能源消費中的比例高達55%以上［1］。厚煤層可采儲量約占全國煤炭總可采儲量的43%，厚煤層一次采全高綜采技術一直是世界煤炭生產技術主要競爭區域。近年來神東公司一直在努力追尋新技術發展的步伐，厚煤層大采高開采技術已經在神東礦區得到廣泛應用和推廣［2-4］。大采高工作面來壓范圍廣、強度大、持續時間長，現有支架工作阻力不能滿足要求，工作面片幫、漏矸頻發，沖擊載荷大，常出現漏矸冒頂事故，給工作面頂板安全管理帶來了很大挑戰［5-8］。從6．3 m大采高綜采配套設備的應用，到8．0 m超大采高綜采設備的生產實踐，在生產技術裝備方面達到了新高度，這對我國煤炭工業的發展具有重要影響。

神東公司致力于推廣應用厚煤層一次采全高綜采技術，配套設備也越來越向重型化、大功率方向發展。7．0 m重型成套綜采設備已經很成熟，在多個礦井應用并取得很好的經濟效益和效果［9-11］。在此基礎上，8．0 m重型成套綜采設備在補連塔煤礦首次應用，致力于高產高效，一次采全厚，提高單刀產量及回采率，創建年產1 500萬t以上的重型綜采工作面。

文中以補連塔煤礦12511綜采工作面為生產實踐背景，對8．0 m大采高工作面礦壓顯現規律和支架適應性進行研究，為后續大采高工作面安全高效開采提供理論基礎和經驗借鑒。

1 工程概況

1．1 工作面概況

補連塔煤礦12511綜采工作面開采煤層為1－2煤層，煤層厚度4．5～10 m，平均厚度7．44 m，結構簡單。工作面長度319．1 m，推采長度3 139．3 m，傾角1°～3°，煤層埋深233～301 m，采用傾斜長壁后退式開采一次采全高全部垮落法處理采空區的綜合機械化采煤法進行回采作業。煤層直接頂和基本頂以粉砂巖、砂質泥巖為主，煤層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤層綜合柱狀圖

1．2 工作面主要設備概況

采煤機:選用 JOY07LS08-762型采煤機，配備4．5 m超大滾筒，裝機總功率達到2 925 kW，生產能力6 000 t/h。

液壓支架:基本支架選用 ZY21000/36．5/80D型支架，共159架，支護強度大于1．67 MPa，支護高度3．65～8 m;過渡支架選用 ZYG21000/36．5/80DA、B型支架，共4架;端頭支架選用ZYT18000/28/55D型支架，共6架;液壓支架實現遙控器無線操作功能，工作阻力達到21 000 kN，配套長短過渡支架實現兩級垂直過渡，利于頂板管理。

刮板輸送機:選用SGZ1400/4800型刮板輸送機，總功率4 800 kW，運輸能力7 000 t/h，實現變頻調速拖動。

帶式輸送機:采用先進的大功率變頻軟啟動技術、自動張緊技術、高速耐磨托輥、快速自移機尾等先進技術提高設備的開機率。

乳化液泵站:泵站組合采用8泵3箱式配置，總功率2 994 kW，采用超大流量、超高壓雙回路供液，實現壓力控制數字化調節、遠程啟停、自動注油等自動化功能。

2 工作面礦壓規律分析

為避免12511工作面初采期間頂板大面積來壓，采用水力壓裂初次放頂技術對頂板進行了弱化處理，削弱其強度和完整性，使采空區頂板能夠分層、分次垮落，縮短初次來壓和周期來壓步距。

2．1 工作面初次來壓

工作面推進至16 m左右的位置時，直接頂基本全部垮落并填滿采空區。

工作面機頭推采至36 m，機尾推采至40．6 m處，支架壓力開始增大，且增幅較為明顯，部分區域開始發生煤壁片幫現象，但未發生支架安全閥開啟現象;隨著推采，工作面整體片幫嚴重，片幫深度最大為1．2 m，支架工作面阻力超過安全閥開啟值，可以判定為工作面基本頂初次來壓。來壓期間，工作面中部90#～130#支架率先來壓，之后40#～90#支架來壓，再后120#～140#支架來壓，來壓持續范圍4．0 m，推算出12511工作面初次來壓步距大約在40～44 m。

工作面初采期間的支架初次來壓特征見表1，初采期間工作面礦壓監測曲面圖和支架阻力變化曲線如圖2、圖3所示。工作面40#～90#支架段來壓持續時間較長，來壓現象明顯，工作面60#～120#支架段動載系數在1．43～1．53之間。

根據以上分析，工作面整體上表現出初次來壓不強烈，并未發生颶風及耳鳴等頂板劇烈來壓現象。初期來壓期間支架立柱最大下沉量在100 mm左右。工作面推采50 m范圍內，地表未發生裂隙和沉降現象，當推采至125 m時在距切眼68 m處出現1～2 cm裂縫。

圖2 初采期間工作面礦壓監測曲面圖

表1 工作面初次來壓支架來壓特征表

圖3 初采期間支架阻力變化曲線

2．2 工作面周期來壓

3月份周期來壓情況:工作面在3月1～30日監測周期內，共發生大小周期來壓24次，月推進314．2 m，平均周期來壓步距11．4 m，從整體上看工作面周期來壓大致呈現“大－小－大”的變化趨勢，但并不是嚴格按此規律變化，偶爾會出現“大－大”或“小－小”來壓情況。工作面壓力變化曲面圖如圖4所示。

3月份分析:工作面基本頂周期來壓步距最大為16．8 m，最小為 7．2 m，平均 10．77 m，正常回采期間平均一天來壓一次。動載系數反映了基本頂來壓強度的大小，根據液壓支架工作阻力監測數據，工作面動載系數為1．21～1．74，來壓強度較強。

6月份周期來壓情況:工作面在6月1～30日監測周期內，共發生大小周期來壓24次，月推進280 m，從整體上看工作面周期來壓大致呈現“小”的變化趨勢，但并不是嚴格按此規律變化，偶爾會出現“大”來壓情況，其中發生局部頂板漏冒情況，停產3天，工作面壓力變化曲面圖如圖5所示。

6月份分析:整體上，本月工作面基本頂周期來壓步距最大為12．8 m，最小為 7．2 m，平均 10．0 m，正常回采期間平均一天來壓一次，動載系數為1．27～1．55，來壓強度較強。

8月份周期來壓情況:工作面在8月1～31日監測周期內，共發生大小周期來壓30次，月推進328 m，從整體上看工作面周期來壓大致呈現“小”的變化趨勢，但并不是嚴格按此規律變化，偶爾會出現“大”來壓情況。工作面壓力變化曲面圖如圖6所示。

8月份分析:整體上，本月工作面基本頂周期來壓步距最大為12．8 m，最小為6．4 m，平均9．6 m，正常回采期間平均一天來壓一次。動載系數反映了基本頂來壓強度的大小，根據液壓支架工作阻力監測數據，工作面動載系數為1．24～1．59，來壓強度較強。

礦壓檢測小結:從選取的3個月礦壓監測情況來看，工作面礦壓具有一定的規律性。來壓步距6.4 ～16．8 m，平均約11．6 m，動載系數約1．4，來壓較為明顯，基本上符合一天來壓一次的規律，偶爾會出現來壓持續較長的現象，持續約8～10刀。

2．3 礦壓影響因素分析

關鍵層的影響:①12511工作面頂板存在兩層關鍵層，第一層載荷層約7．7 m，亞關鍵層約19．8 m，主關鍵層約35 m，均為砂質泥巖，屬于典型的雙關鍵層頂板結構。小周期來壓時單個關鍵層的破斷，而大周期來壓時則是兩個關鍵層的同時破斷［12］;②12511 工作面觀測周期來壓步距 7．2 ～16.8 m之間，時大時小，符合雙關鍵層來壓特點。亞關鍵層巖體斷裂形成小周期來壓，連續多次來壓后出現一次大周期來壓，來壓強度大，顯現明顯，可以推斷為主關鍵層斷裂引發工作面礦壓顯現明顯。從而也可以推斷出亞關鍵層斷裂步距與主關鍵層斷裂步距，如遇構造或巖體內部發生特殊位移情況，關鍵層破斷規律也發生變化。

圖4 3月份工作面礦壓監測曲面圖

基巖、埋深影響:①根據經驗公式可以初步計算得出，12511工作面頂板冒落帶高度約24 m(H1=3×M)，裂隙帶高度約192 m(H2=H1～M)，工作面上覆基巖220～273 m，呈現出回順薄、運順厚、兩端薄、中間厚的特點;②工作面切眼至300 m范圍內，對應工作面距切眼80～120 m范圍內地表呈現溝壑，工作面礦壓顯現較為明顯，來壓強度較大，來壓比較集中，120～200 m范圍內地表基本為平地，來壓呈現出分散性、不集中，且來壓強度弱;③工作面初采范圍內工作面基巖變化不大，基巖厚度在259～273 m，工作面周期來壓步距約10 m，來壓強度先大后小，大小間隔出現，這與上覆巖層厚度變化關系不大。

圖5 6月份工作面礦壓監測曲面圖

圖6 8月份工作面礦壓監測曲面圖

巖層結構及巖性影響:12511工作面煤巖互層結構較為明顯，有兩層夾矸，尤其是煤壁中上部，片幫程度較為嚴重。頂板主要以砂質泥巖為主，巖性變化不大，巖石力學強度相對較高，煤壁所受支承壓力較大。初采階段120 m范圍內，下層夾矸厚度約0.6 ～1．2 m，工作面采高保持在 6．0 ～6．5 m 之間，周期來壓步距在10．4～15．2 m，來壓集中程度較高;推采至120～210 m之間，夾矸變薄，頂板結構不穩定，上層夾矸垮落，且來壓趨于不穩定，呈現出散點狀。

3 工作面支架適應性分析

選取了3個月的支架受載情況進行統計分析，如圖7所示。

圖7 支架工作阻力分布柱狀圖

由圖7可知，①6月份工作面支架工作阻力主要集中在250 ～350 bar，占 59．72%，450 bar以上的占6．12%，低于250 bar的占15．04%，說明工作面初撐力管理情況較好，壓力主要集中在250～350 bar;②8月份工作面支架工作阻力主要集中在250～350 bar，占 65．42%，450 bar以上的占 6．1%，低于250 bar的占8．4%，說明工作面初撐力管理情況較好，壓力主要集中在250～350 bar;③9月份工作面支架工作阻力主要集中在250～350 bar，占65.98%，450 bar以上的占5．63%，低于 250 bar的占10．05%，說明工作面初撐力管理情況較好，壓力主要集中在250～350 bar，基本符合正態分布規律。

綜上所述，工作面支架受載情況良好，基本呈正態分布形態，壓力主要集中在250～350 bar(11 025～15 435 kN之間)，分別占支架工作阻力的52.5%、73．5%，低于250 bar基本占10%以下，綜合反映出工作面支架初撐力管理到位，支架還有一定富裕性，完全滿足工作面的需要。

4 結論

(1)采用水力壓裂初次放頂技術后，效果良好，直接頂初次垮落步距為16．8 m，基本頂初次來壓步距40～44 m，平均為42 m，動載系數1．43～1．53之間，來壓強度較強。

(2)工作面周期來壓基本符合以下規律:來壓步距6．4 ～16．8 m，平均約11．6 m，動載系數約為1.4，來壓較為明顯，基本上符合一天來壓一次的規律，偶爾會出現來壓持續較長的現象。

(3)12511工作面頂板屬于典型的雙關鍵層頂板結構，工作面周期來壓規律符合雙關鍵層的來壓特點。

(4)工作面支架受載情況良好，基本呈正態分布形態，壓力主要集中在250～350 bar(11 025～15 435 kN之間)，綜合反映出工作面支架初撐力管理到位，支架還有一定富裕性，完全滿足工作面的需要。