大采高綜采工作面不同條件下的礦壓顯現規律

袁小春，邵小平，鄭繼銳

(1.神東煤炭集團哈拉溝煤礦，陜西 神木 719315；2.西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054)

0 引言

淺埋煤層開采一般會面臨頂板、水和潰沙等災害防治問題[1]，開采近距離煤層群下層煤綜采工作面常需要過上層煤采空區集中煤柱等特殊危險段[2-5]，在該區段易發生壓架事故，嚴重威脅安全生產。以神東煤炭集團哈拉溝煤礦22208綜采工作面為研究對象，該工作面同時存在薄基巖富水區和上覆采空區等多方面災害影響。因此對22208綜采工作面進行全面礦壓觀測、分析、總結綜采工作面在不同時期和條件下的礦壓顯現規律。

1 工作面基本情況

1.1 工作面概況

22208綜采工作面位于2-2煤二盤區，面長245.2 m，推進長度4 352.3 m。東北相鄰22518備采工作面，西南為已回采完畢的22207綜采面采空區，東南為2-2煤中央輔運大巷。22208綜采面采用綜采一次采全高傾斜長壁綜合機械化采煤法，全部垮落法處理采空區。工作面回采范圍內煤厚3.4～6.12 m，平均煤厚5.5 m，煤層結構簡單，屬穩定型煤層，設計采高5.3 m。

1.2 工作面水文地質情況

22208綜采工作面上覆基巖厚度23.95～95 m，松散層厚度0～55 m，松散含水層厚度約5～10 m，埋深72～80 m。

22208綜采面距切眼524～940 m范圍內對應地表為三元溝南溝，溝內無明流，過溝段上覆基巖厚度23.95～46 m，松散層厚度0～15 m，現含水層厚度5.72 m。

22208綜采面距切眼965.8～1 131.3 m區域上覆為1-2煤巷道集中煤柱；距切眼1 131.3～1 892.5 m區域上覆為12103采空區；距切眼1 892.5～2 329.8 m區域上覆為1-2上101面采空區；距切眼965.8～2 155.8 m區域上覆為12103及12102順槽煤柱。回采區域2-2煤與1-2煤層間距18～28.5 m，2-2煤與1-2上煤層間距30～38.4 m，過煤柱及采空區期間存在冒頂、壓架、采空區積水與有害氣體涌出異常等隱患。

22208綜采面最大涌水量為203 m3/h，正常涌水量100 m3/h。

1.3 工作面設備配套情況

工作面配套144臺鄭煤ZY10800/28/63[10 800 kN]二柱掩護式液壓支架，架寬1.75 m，立柱安全閥卸載壓強為43 MPa，配套德國EKF采煤機，裝機功率2 390 kW，滾筒直徑3.2 m，德國DBT 3×1 000的刮板輸送機及配套的700 kW/3 300 V轉載機、522 kW/3 300 V破碎機各1臺。

2 不同時期與不同條件下的礦壓顯現規律

2.1 老頂初次來壓

22208綜采面切眼施工了高壓水預裂，直接頂垮落步距13 m，老頂初次來壓步距38.5 m，水預裂效果較好。表1為22208綜采面初采期間礦壓特征表(0～50 m)。

表1 22208綜采面初采期間礦壓特征表

初采推進至13 m：直接頂基本垮落，除1#～10#、20#～30#、141#～144#架未垮之外，其余架后基本垮落。工作面45#～102#支架壓力普遍為30～35 MPa，其余區域支架壓力均不足30 MPa。

工作面推進至30 m：老頂初次來壓持續4刀，1#～5#架未垮實，其余架后垮實。采空區老頂垮落產生颶風，并伴有耳鼓，工作面來壓段支架立柱安全閥基本全部開啟，由于初采采高4.5 m，留有約1 m頂煤，所有工作面頂板未出現明顯切頂漏矸現象，工作面30#～125#支架壓力普遍為40 MPa以上，峰值壓力達到50.3 MPa，地表對應22208回順向工作面77 m范圍出現塌陷裂縫。因此該面老頂初次來壓步距為38.5 m。

老頂初次來壓分析：該工作面與類似條件綜采面對比，老頂初次來壓步距縮短了約20 m，峰值壓力也小了約3～4 MPa。分析認為，主要是高壓水預裂起到了積極作用，因為該預裂方式與傳統的切眼深孔爆破預裂方式有本質的區別，原來的深孔爆破預裂只是對切眼上方的頂板進行預裂，而高壓水預裂是在切眼沿工作面推進方向斜向上鉆孔進行預裂，即在回采前初采區域內的上覆基巖完整性已被預裂破壞，因此在后期回采過程中，隨工作面的推進，老頂失穩較快，最終使得初采來壓步距和峰值壓力變小。

2.2 正常回采礦壓觀測

表2為22208綜采面初采期間礦壓特征表(50～100 m)。

觀測距離50 m：共觀測到4次周期來壓，該階段平均來壓強度33.9 MPa，來壓最大載荷45 MPa，平均來壓步距9 m，來壓平均持續4刀，該回采區域受沖刷影響，煤層薄，工作面采高4.7～4.8 m。本階段來壓步距較為均勻，強度相對較小，來壓主要集中在40#～120#架區域，峰值壓力主要集中在80#～100#架附近。地表回采區域基本全部塌陷，工作面來壓期間出現頂板漏矸，漏矸厚度小于500 mm，初采階段煤壁較硬，因此無明顯片幫，工作面涌水未見增大。

表2 22208綜采面正常回采期間礦壓特征表

100 m的礦壓觀測：該面長度為245 m，比臨近已回采完畢的22206和22207面305 m相比，面長縮短60 m，來壓步距也相對變小(上述兩面步距約為12 m)，強度也較小。

2.3 過三元溝薄基巖富水區礦壓觀測(690～740 m)

表3為22208綜采面過薄基巖富水區期間礦壓特征表(690～740 m)。

表3 22208綜采面過薄基巖富水區期間礦壓特征表

第1次周期來壓：來壓步距11.2 m，來壓持續5刀，壓力平均值35.7 MPa，峰值45 MPa，該區域上覆基巖30 m左右，來壓主要集中在50#～120#架，頂板漏矸，安全閥開啟率21%。

第2次周期來壓：來壓步距10.4 m，來壓持續6刀，壓力平均值36.3 MPa，峰值45.6 MPa，煤壁較硬未出現明顯片幫跡象，頂板漏矸，安全閥開啟率18%，立柱未見明顯下沉，該段開始進溝。

第3次周期來壓：來壓步距12 m，來壓持續4刀，壓力平均值34 MPa，峰值43.8 MPa，該段進入溝底段基巖厚度最薄24 m，此次來壓強度較小，來壓持續時間短，來壓不強烈，漏矸不明顯，無片幫，安全閥開啟率14%，工作面小范圍出現淋水等現象，未見其他異常。

第4次周期來壓：來壓步距12 m，來壓持續6刀，壓力平均值35 MPa，峰值45.6 MPa，此次來壓范圍廣強度不大，來壓持續時間長，30#～110#架基本均來壓，該段來壓呈現機尾和機頭分段來壓，且機尾段來壓相對強烈，未見流沙、淋水等現象。

小結：通過本次礦壓觀測，工作面煤壁較硬，片幫不嚴重，有明顯漏矸現象，來壓主要集中在50#～120#架附近，進溝壓力未見明顯增大，工作面已推采700 m以上，但煤壁仍較硬，片幫不明顯，反而頂板條件較差，來壓極易冒落；過溝期間未見涌水或淋水增大，未見架后流沙，說明之前疏放水的效果很好。

2.4 過薄基巖富水區礦壓觀測(740～790 m)

表4為22208綜采面過薄基巖富水區期間礦壓特征表(740～790 m)。

表4 22208綜采面過薄基巖富水區期間礦壓特征表

第1次周期來壓：來壓步距8 m，來壓持續4刀，壓力平均值35.4 MPa，峰值45.6 MPa，該區域上覆基巖24 m左右，來壓主要集中在30#～120#架，頂板漏矸，安全閥開啟率25%，來壓較為強烈。

第2次周期來壓：來壓步距9 m，來壓持續7刀，壓力平均值38 MPa，峰值46.2 MPa，該段出溝對應地表為山梁且基巖逐漸變厚，此次來壓強度大，來壓持續時間長，安全閥開啟率29%，工作面小范圍出現淋水等現象，未見其他異常。

第3次周期來壓：來壓步距11.2 m，來壓持續3刀，壓力平均值34 MPa，峰值43.2 MPa，煤壁較硬未出現明顯片幫跡象，頂板漏矸嚴重，安全閥開啟率23%，該段開始出溝。

第4次周期來壓：來壓步距11 m，來壓持續5刀，壓力平均值34.1 MPa，峰值43.8 MPa，此次來壓范圍及強度均不大，來壓持續時間短，未見流沙、淋水等現象。

小結：通過本次礦壓觀測，工作面煤壁較硬，片幫不嚴重，有明顯的漏矸現象，來壓主要集中在30#～120#架附近，出溝壓力明顯增大，主要體現在漏矸嚴重，來壓持續時間長等特點，兩順槽超前壓力未見異常，未見明顯涌水或淋水增大的現象，工作面安全出溝。

2.5 過上覆采空區及集中煤柱礦壓觀測(進煤柱)

表5為22208綜采面過上覆集中煤柱期間礦壓特征表。

表5 22208綜采面過上覆集中煤柱期間礦壓特征表

第1次周期來壓：來壓步距17.6 m，來壓持續3刀，壓力平均值33.7 MPa，峰值47.4 MPa，來壓主要集中在35#～105#架，頂板漏矸，未見明顯片幫，安全閥開啟率9%，開始進入上覆煤柱。

第2次周期來壓：來壓步距14 m，來壓持續6刀，壓力平均值35.8 MPa，峰值46.2 MPa，煤壁較硬未出現明顯片幫跡象，頂板漏矸，安全閥開啟率12%，立柱未見明顯下沉。

第3次周期來壓：來壓步距16 m，來壓持續3刀，壓力平均值33.8 MPa，峰值43.8 MPa，來壓持續時間短，來壓不強烈，漏矸不明顯，無片幫，安全閥開啟率12%，未見其他異常。

小結：通過本次礦壓觀測，工作面煤壁較硬，片幫不嚴重，有明顯漏矸現象，來壓主要集中在35#～115#架附近，工作面長度245 m，比臨近工作面22207短60 m，工作面周期來壓步距比臨近面要長4 m左右，且來壓強度小，上覆煤柱對工作面的影響不大。

2.6 過采空區及架中煤柱礦壓(出煤柱)

表6為22208綜采面過上覆集中煤柱期間礦壓特征表。

第1次周期來壓：來壓步距12 m，來壓持續6刀，壓力平均值38.6 MPa，峰值47.8 MPa，來壓主要集中在40#～115#架，頂板漏矸，未見明顯片幫，安全閥開啟率48%，來壓強度較為強烈，峰值壓力大，安全閥普遍開啟。

第2次周期來壓：來壓步距12.8 m，來壓持續5刀，壓力平均值38 MPa，峰值44.4 MPa，煤壁較硬未出現明顯片幫跡象，頂板漏矸，安全閥開啟率41%，立柱未見明顯下沉。

表6 22208綜采面過上覆集中煤柱期間礦壓特征表

第3次周期來壓：來壓步距18.4 m，來壓持續7刀，壓力平均值38.2 MPa，峰值49.8 MPa，來壓強裂且持續時間長，漏矸明顯，有炸幫現象，安全閥開啟率51%，出煤柱來壓強烈，立柱最大下沉量10 cm。

出煤柱情況：2017年9月13日早班，上一周期壓力過去14刀后工作面30#～90#架段來壓，峰值壓力在87#架50 MPa，此時機尾已經出煤柱4 m，機頭剩余1 m出煤柱，55#架(12103集中煤柱對應為55#-機尾)出煤柱1 m，壓力持續6刀，立柱有少量下沉。

小結：通過本次礦壓觀測，22208面出上覆集中煤柱期間壓力相對22207面要小很多，未出現動載礦壓壓架事故，分析原因，一方面22208面比22207面短60 m，推進速度快，平均一天比22207多推進3.5 m；另一方面22208面與22207面為同一個集中煤柱，在回采22207集中煤柱壓力釋放，當時出現較為強烈的動載礦壓，使得22208面上覆區域的集中煤柱多出一個壓力釋放的自由面，壓力得到一定的釋放；另外22208面55#架至機尾為上覆煤柱影響區域，而非22207全工作面受集中煤柱影響，綜上分析，22208面出煤柱期間壓力雖然比正常周期來壓大，但未出現明顯動態礦壓顯現，且工作面煤壁較硬，片幫也不嚴重，使得工作面安全順利通過上覆集中煤柱影響區域。

2.7 末采礦壓觀測(距貫通200～150 m)

表7為22208綜采面末采礦壓特征表距貫通200～150 m)。

根據礦壓觀測結果分析，①平均周期來壓步距10 m，來壓平均持續5刀，來壓峰值42.3 MPa，平均動載系數1.2；②礦壓顯現呈現出大小來壓周期特征，來壓步距最大11.2 m，最小7.2 m，大周期時來壓強度相對較大，范圍較廣，持續時間長；③周期來壓期間，工作面中部切頂漏矸，需拉超前架護頂，最大切頂高度約0.6 m，片幫最大深度0.5 m，高度3 m，炸幫嚴重；④來壓期間峰值壓力附近支架立柱安全閥開啟，開啟率26%～31%，未見明顯頂板下沉；⑤兩順槽超前壓力顯現主要體現在片幫嚴重，深度可達0.5 m，局部形成全斷面片幫，運順漿皮脫落嚴重，小范圍頂板鱗皮，但未見頂板離層儀數據明顯變化；⑥來壓主要集中在50#～110#架范圍，架后直接頂基本可以隨采隨冒，沒有出現連續3架以上垮落不實的現象，來壓期間架后垮落巖塊較碎小，甚至呈粉末狀。

表7 22208綜采面末采礦壓特征表

2.8 末采礦壓觀測(距貫通50～0 m)

表8為22208綜采面末采礦壓特征表(距貫通50～0 m)。

表8 22208綜采面末采礦壓特征表

根據礦壓觀測結果分析，①平均周期來壓步距10.7 m，來壓平均持續約4刀，來壓峰值48.2 MPa，平均動載系數1.44；②本階段來壓步距較為一致，平均約10.7 m，其中最大來壓步距13.6 m，最小10 m，臨近貫通前兩次周期來壓較為強烈；③本階段礦壓顯現強烈，進入剩余50 m的位置，工作面采高將至4.6～4.7 m，留有0.8 m左右的頂煤，來壓期間沒有明顯的漏頂，只是片幫較為嚴重，最大深度可達1 m以上，炸幫嚴重；④距貫通4.5 m時，由于生產組織的調整，工作面停產14 h，停機時工作面壓力剛過去，但在停產10 h后，工作面支架立柱壓力值開始增大，除兩端頭30#架以外，其它區域壓力均在40 MPa以上，生產兩刀煤后，壓力持續增大，安全閥全部開啟，支架立柱出現緩慢下沉，最大下沉量達到300 mm，現場采取快速推進的方式甩壓，但是炸幫非常嚴重，剩余2 m時局部煤壁中間與通道貫通，兩刀煤后壓力過去，貫通期間工作面基本無壓，通道垛架壓力普遍在35～40 MPa之間，出現下沉現象，最大下沉量約100 mm，通道副幫及聯巷口沒有明顯片幫，較為完好；⑤類似工作面以往末采期間沒有出現過立柱下沉，此次出現的立柱下沉分析原因主要是停產時間較長，在停產10 h后出現壓力增大的現象，開始割煤后壓力持續增加，出現立柱下沉，因此今后類似條件工作面，停產時間最好控制在8 h以內，末采采高要比通道高200～300 mm，防止出現立柱下沉影響了貫通質量，若不停產則仍按照正常采高貫通。

3 結語

以神東哈拉溝煤礦22208綜采工作面為研究對象，分析其在不同地質條件下礦山壓力規律、支架工作阻力、動載礦壓顯現特征。據分析結果提出提前高壓水預裂、疏放水、調整周期來壓、合理控制煤機牽引速度、工作面推進速度和采高等技術措施，預防了綜采工作面壓架事故，保證礦井安全生產。