淺埋深超大采高工作面礦壓規律分析

王子升

（神東煤炭集團大柳塔煤礦，陜西 神木 719315）

0 引言

淺埋深煤層主要分布于我國的西部，煤層厚度很大。由于埋深淺，上覆風沙層厚，煤層頂板表現為單一的主關鍵層結構［1-3］。與普通采高相比，在開采過程中，超大采高工作面礦壓顯現較為明顯，煤壁片幫非常嚴重、頂板漏矸、下沉明顯［4-5］。以神東大柳塔煤礦52307綜采面7 m超大采高綜采工作面的開采為背景，進行礦壓規律分析和研究，以期為其他綜采面的開采提供參考。

1 工程概況

大柳塔煤礦52307綜采面走向長度4 462.6 m，工作面長度301 m，傾角1°～3°，煤層平均厚度為7.2 m，采高7 m，采用全部垮落法管理頂板。綜采工作面上覆基巖是中下侏羅統延安組地層，厚度約為60～110 m，基巖厚度從切眼開始到回撤通道逐漸變厚。地表大多被第四系松散沉積物覆蓋，工作面埋深平均160 m。綜采面頂底板狀況，見表1。

表1 工作面頂底板情況

除端頭支架和過渡支架外，52307綜采工作面中部頂板支護使用了140臺型號為ZY18000/32/70D的兩柱支撐掩護式液壓支架。其主要技術特征見表2。

表2 液壓支架主要技術特征

2 工作面礦壓觀測方案

2.1 觀測工具

在52307綜采工作面液壓支架的左右立柱上安裝壓力傳感器，再用網線把液壓支架PM32上所顯示的數值傳到控制臺，PM32上顯示的數值就是液壓支架的初撐力。當割煤一個循環后，在下一刀割煤前從PM32上讀出的數值即為液壓支架上最大的工作阻力。頂板離層儀安設在兩順槽。

2.2 測點布置

在52307綜采工作面140臺液壓支架上，每隔5架設一個測點，分別設置在5#、10#、15#、…、135#、140#液壓支架上，共計設有28個測點。綜采工作面測點布置示意圖，如圖1所示。

2.3 研究方法

將28個測點的液壓支架壓力數據通過使用Excel軟件來生成礦壓曲面圖，把圖中的最小壓力設定為25.2 MPa，每隔5 MPa用一種顏色來表示，不同顏色代表不同的壓力大小，顏色越深則頂板壓力越大。在連續的工作面上，通過不同顏色及其深淺程度來反映頂板壓力大小［6-8］，更能直觀地推測出頂板巖層的活動以及周期來壓步距，為規律研究提供了方便。

圖1 綜采工作面測點布置示意圖

在綜采面生產現場，人工記錄安裝在綜采面兩順槽的頂板離層儀的數據。觀察綜采面來壓期間煤壁片幫、頂板漏矸程度、液壓支架立柱下沉、安全閥開啟程度等內容，同時與生成的曲面圖結合起來，分析研究綜采面的礦壓規律。

3 綜采工作面礦壓規律

3.1 初采期間礦壓規律

根據測點液壓支架壓力統計數據，從切眼推進至180 m范圍內，初采期間Excel生成的曲面圖，如圖2所示。

工作面初采期間礦壓觀測數據情況見表3。

由圖2和表3可知，綜采工作面實際初次來壓步距為74 m，直接頂初次垮落步距20.5 m。在初次來壓期間礦壓顯現強度大，煤壁片幫嚴重，出現漏矸現象，支架立柱壓力明顯增大，幾乎全在40 MPa左右，局部壓力較大的地方有的超過50 MPa，安全閥大范圍開啟，立柱下縮量最大達400 mm，頂板出現下沉現象。平衡千斤頂縮進量在50～150 mm，支架后部被壓下，支架仰俯角增大，動載系數為1.30～1.82，平均1.48。機頭25架、機尾30架范圍內基本無來壓顯現現象，割煤時煤壁完好平直，但是煤塊飛濺嚴重。綜采面初次來壓后，伴隨著工作面的向前推進，頂板也出現周期性運動，周期來壓步距平均16.7 m左右，來壓時礦壓顯現強烈。此時要確保支架初撐力始終保持在平均25.2 MPa以上，以有效應對周期來壓。52307綜采工作面在推進過程中，煤壁前方支承壓力大，特別是在工作面老頂來壓前，支承壓力更加明顯，煤壁片幫嚴重，局部頂板將會出現漏矸現象［9-11］。

表3 工作面初采期間礦壓觀測統計表

圖2 工作面初采期間礦壓數據曲面圖

3.2 正常回采期間礦壓規律

在正常回采期間，根據綜采工作面液壓支架壓力數據和生成礦壓曲面圖，結合現場來壓情況，對每個月綜采工作面正常回采期間礦壓規律分析。通過加權計算，綜采工作面周期來壓平均步距為17.6 m。周期來壓時，工作面壓力持續距離為3.5～10.2 m，平均6.6 m。其中工作面壓力正常時，推進距離約4.2～13 m，平均9.5 m。工作面正常推進時支架的正常載荷為29 MPa左右。工作面周期來壓期間，支架的載荷為35～50 MPa，平均值為40 MPa，動載系數最小為1.21，最大達1.69。工作面來壓，主要集中在工作面25#～120#架之間，來壓顯現明顯，兩端頭周期來壓現象不明顯。工作面在來壓期間，礦壓顯現顯著，煤壁片幫、頂板漏矸、下沉嚴重，支架立柱壓力增大，安全閥大面積開啟，開啟率達35%，并且伴隨著卸載漏液。周期來壓具有分布的不均衡性和來壓的不同步性，有的地方先來壓，有的后來壓，工作面在來壓狀態下壓力大小表現也不均勻，有的大有的小。

3.3 末采期間礦壓顯現規律

當52307綜采工作面推進距回撤通道200 m進入末采階段時，對礦壓數據進行認真分析，生成礦壓曲面圖，如圖3所示。

從距離回撤通道200 m至貫通的200 m范圍內，周期來壓14次，來壓步距分別為14.2、18.8、13.1、16.8、10.5、5.7、5.5、9.0、11.0、14.1、10.6、21.1、17.1、12.8 m，周期來壓平均步距12.9 m。

從距離回撤通道110 m位置開始逐步調整采高至6 m，推進至45 m位置采高降到5.5 m，從礦壓分析圖中可以看出，采高變小后來壓步距逐步變大。工作面機頭剩余23 m，機尾剩余24 m，此時來壓已經結束。按照之前步距推算，預計推進至17 m位置工作面將開始來壓，推進至17 m前，不影響停機打錨索。實際由于來壓步距變化，在推進至17.8 m位置工作面來壓，60#～75#架范圍支架壓力38～44 MPa，壓力顯現強烈，但頂板完好，停機打錨索。

圖3 52307綜采面末采礦壓曲面圖

推進至剩余6 m位置，工作面最后一次來壓，來壓持續步距較小，推進距回撤通道1 m位置壓力甩完，持續4.8 m（6刀），貫通時工作面無壓。通過觀測總結發現，末采階段由于推進速度快，采高逐步降低，周期來壓步距增大，礦山壓力顯現沒有正常回采時那么強烈，工作面煤壁片幫現象有所減少。

3.4 兩順槽礦壓規律

52307綜采工作面從初采到末采，通過對工作面兩順槽頂板離層儀、巷道變形情況進行觀測。在52307綜采面整個回采期間，運輸順槽頂板離層儀觀測值跟原始值相同，離層量為零，未發生明顯片幫、頂板下沉等現象，受超前支承壓力影響不大，巷道基本無明顯變形。運輸順槽副幫上部煤壁表層出現爆皮炸皮現象，中部及下部出現網兜，影響范圍在超前工作面5～15 m，正幫出現了幫鼓的現象，幫鼓影響范圍2～10 m左右。

回風順槽超前工作面10 m范圍內，受超前支承壓力影響正幫發生輕微片幫現象，副幫下部出現網兜；超前支架支撐范圍內頂錨索和頂錨桿被破壞，存在掉落風險，作業人員必須現場危險源辨識并處理安全隱患后方可作業。

4 結論

（1）52307綜采工作面礦壓顯現非常強烈，來壓時頂板漏矸、下沉，煤壁嚴重片幫，安全閥大面積開啟卸載，有的立柱下縮高達800 mm，采高減小，頂板存在小幅度的臺階下沉現象，礦壓顯現強度符合淺埋煤層的開采特征。

（2）52307綜采工作面周期來壓步距在6.5～25.6 m之間，變化較大，平均步距17.6 m；工作面周期來壓期間，支架的載荷為35～49 MPa，平均值為40 MPa，動載強烈。

（3）工作面有明顯的壓力區域25#～120#架，此區域的壓力最大，兩端頭壓力較弱；在綜采面的實際生產中，壓力比較明顯的區域是頂板漏矸、冒頂、壓壞支架的高發區域，所以一定要特別做好這些壓力集中區域的頂板管理，確保液壓支架的初撐力始終保持在平均25.2 MPa以上，以有效應對周期來壓。

（4）綜采面周期來壓時分布不同步，也不均衡，有的區域先來壓，有的后來壓；工作面中部周期來壓現象明顯，兩端頭周期來壓不明顯；周期來壓步距的大小、礦壓顯現的強度和綜采工作面的液壓支架初撐力、綜采工作面的推進速度以及上覆基巖的厚度關系很大。

（5）301 m的綜采工作面長度過長，對礦壓也能造成很大影響；由于工作面長度的增加，導致推進速度過慢，就使上覆巖層的垮落比較充分，導致周期來壓比較頻繁。