上灣煤礦8.8m綜采面礦壓顯現規律研究

段 偉

(國家能源神東煤炭集團上灣煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

隨著采礦技術和采礦設備的發展，綜合機械化采煤的高度越來越高。大采高工作面礦壓顯現更加強烈，片幫、冒頂、壓架等[1，2]事故頻發。針對神東礦區淺埋煤層大采高工作面，眾多學者從關鍵層破斷形式[3，4]、礦壓顯現規律[5，6]、支護阻力[7，8]、礦壓防治[9-11]等方面進行了深入研究[12，13]。鞠金峰等對神東礦區補連塔煤礦22303工作面的礦壓顯現規律進行了總結[14]，得出工作面來壓步距及動載系數呈現出大小交替的周期性變化規律的結論；來興平[15]等利用相似材料模擬方法，對張家峁煤礦5-2淺埋特厚煤層6.0m大采高綜采工作面支架適用性進行評價，判定支架能夠滿足實際生產需要；神東上灣煤礦12401綜采面是世界首個8.8m大采高一次采全高工作面。隨著采高的增加，上述規律和措施能否適用不得而知。王海軍[16]等對8.8m大采高工作面液壓支架進行研究，張宏偉[17]等采用數值模擬和相似材料模擬等手段，對8.8m大采高工作面礦壓顯現規律進行研究。這些研究結果是否符合現場實際，還需驗證。本文基于上灣煤礦12401綜采面實測數據，從支架能否滿足工作面生產要求及礦壓規律顯現情況兩個方面進行研究，為工作面安全高效開采提供理論支持，同時可以為后續研究提供參考。

1 工作面開采地質條件

上灣煤礦是國家能源神東煤炭集團主力生產礦井之一，核定生產能力為1600萬t/年，井田面積61.8km2，地質儲量12.3億t，可采儲量8.3億t。上灣煤礦12401綜采面是世界上首個8.8m大采高綜采工作面，也是12煤四盤區首采面。

12401綜采面沿傾向布置，工作面長度299.2m，推進長度5254.8m，可采出煤量為1754.6萬t。綜采面煤厚7.56～10.79m，平均煤厚9.16m，綜采面煤層整體厚度穩定，設計采高8.8m。12401綜采面埋深為130～240m，偽頂為泥巖，抗壓強度約11.3～13.2MPa，普氏系數約1.32，堅固性較低，屬不堅硬類不穩定型；直接頂為灰白色細粒砂巖，抗壓強度約13.3～15.2MPa，普氏系數約1.35，堅固性較強，屬堅硬類不穩定型；老頂為灰白色粉砂巖，抗壓強度約14.5～36.6MPa，普氏系數約2.32；直接底為黑灰色泥巖，抗壓強度約12.6～17.5MPa，普氏系數約1.86。

2 工作面礦壓顯現規律實測

2.1 觀測方案

為了能夠顯示工作面壓的整體情況，采用礦壓曲面方法進行研究，從綜采面切眼位置初采時開始持續進行觀測，該方法在綜采面128臺液壓支架上每隔5架布置一個測點，即將測點布置在5#、10#、15#、20#、…、125#支架上，綜采面共布置了25個測點，相比單臺支架曲線圖的方法，本方法測點多，且能反映在一張圖上，能看出工作工作面各區域的來壓情況，對現場更有指導意義。

2.2 初次來壓規律

本工作面為盤區首采面，切眼高6m，寬11.4m，切眼附近埋深220～240m。12401綜采面從2018年3月20日中班開始回采。初采期間，支架后采空區會出現長距離大面積空頂，通過采用深孔預裂爆破，破壞直接頂和老頂整體性，縮短老頂初次來壓垮落步距和來壓強度。

強放后工作面采高控制在6.5～7m，工作面支架壓力較小，一般為25～30MPa，而且煤壁較硬，推進到45m時，工作面支架壓力增大，30#—95#區域支架壓力普遍超過了40MPa，其中35#—80#支架壓力最大，最高達到了49～51MPa，超過安全閥開啟值47.2MPa，壓力持續距離為5m。通過統計得出工作面初次來壓步距為45m，含切眼寬度56.4m。

工作面初次來壓時雖然達到閥開啟值，但現場煤壁未出現大面積片幫現象，但在煤機滾筒附近和局部出現片幫和炸幫現象，表明工作面煤壁受超前壓力變大影響，開始進入破壞階段。初次來壓前后，經勘察地表無裂縫。

2.3 周期來壓規律

以2018年4月11日—7月18日實測礦壓數據為對象進行研究分析。經對比分析，得出在該段時間內周期來壓規律可分為三個階段，三個階段規律有一定差異性。

2.3.1 推進50～129m周期來壓規律總結

從4月11日初次來壓之后，至4月26日，共推進79m(50～129m)，周期來壓7次。12401面第一階段周期來壓曲面圖如圖1所示。

此期間為剛發生初次來壓后，工作面采高開始增加，逐漸從6.5m增加到7.5～8m，綜采面推進60m時，全工作面出現片幫加大的情況；在前3個周期來壓時，30#—80#支架區域煤壁片幫嚴重，煤壁變酥，后滾筒打出護幫后仍然片幫；大部分工作面上半部分煤壁片幫深度1～1.5m，煤壁呈現“月牙型”。

從統計來看，本階段周期來壓步距在8～11m，平均10.05m，步距較短，由于采高大，來壓強度大，普遍達到45MPa以上，綜采面中部區域能達到47～52MPa，本階段，地表開始逐步出現裂縫地面裂縫寬度為50～100mm，裂縫兩側高差在200mm。

2.3.2 推進130～300m周期來壓規律總結

此階段工作面埋深在220～230m，與切眼附近基本相同，由于推進速度慢，來壓步距較小，整體有“大-小”來壓周期規律，部分周期來壓又有“兩大一小”的規律。兩次大來壓步距約為15m，隨后的一個來壓步距較小，一般在8～11m，最小的有5m。

圖1 12401面第一階段周期來壓曲面圖

圖2 12401面第二階段周期來壓曲面圖

來壓強度上也存在兩次較強來壓，一次一般來壓的情況。較強來壓時片幫嚴重，梁端距大，如第8次來壓，40#—60#架最大壓力達到了49～50MPa。在采取沿頂回采，加強初撐力管理后，發揮出支架高工作阻力的優勢，頂板管理效果明顯改善。一般來壓時為局部來壓，來壓范圍小持續時間短。

本階段，地面裂縫寬度為100mm，裂縫兩側高差在300mm以上，下沉量較大。

2.3.3 推進300～634m周期來壓規律總結

本階段工作面埋深為200～220m，工作面生產趨于正常，推進速度明顯加快，共統計21次周期來壓，總平均來壓步距16.4m，每次周期來壓與非周期來壓有明顯的界限，非周期來壓期間支架壓力不超過30MPa，來壓時，支架壓力一般從30MPa開始上升，局部達到安全閥開啟值；此階段工作面來壓有如下特點：

在來壓步距方面，仍然有“大小”步距之分，一般2～4次大步距后會出現一次小步距，大步距大多數在17～24m之間，小步距在9～12m。

在來壓強度上也有“強-弱”之分，強來壓次數增多，一般兩到三次強來壓后會出現一次較弱來壓。強周期來壓能達到50MPa，表現為大面積來壓，來壓持續時間長，片幫和頂板漏矸嚴重，而弱周期來壓一般剛超過40MPa，表現在局部來壓，持續時間較短，與第前兩個階段相比，此階段周期來壓壓力達到50MPa的變少，分析與埋深變淺有關。

圖3 12401面第三階段周期來壓曲面圖

本階段，工作面地面裂縫寬度為500～2000mm，裂縫兩側高差在400mm，下沉量較大。經設點實測，采空區內地表累計最大位置為距切眼中部80m，累計最大下沉量達到6m。

3 支架適應性評價

3.1 工作阻力估算

按礦壓觀測獲得的支架循環末阻力進行支架工作阻力的估算方法可采用公式(1)計算：

(1)

按兩種方式進行統計估算：

(2)

(3)

從推進300～634m期間以來壓強烈的第21次來壓計算，見表1。

按式(2)進行計算，本次來壓60#、65#架區域循環末阻力最大，對應的估算支架工作阻力超過了26000kN，占來壓區域的其余10.5%。

表1 周期來壓期間循環末阻力統計表 MPa

表2 非來壓期間循環末阻力統計表 MPa

按(3)式計算，本次周期內，45#、55#—75#區域循環末阻力最大，對應的估算支架工作阻力超過了26000kN，占統計區域的其余31.5%。

按兩式統計可知，在來壓強烈時，均存在估算工作阻力超過所選支架實際工作阻力的情況。

3.2 安全閥開啟

第3次循環內達到安全閥開啟值46MPa的較多，占整個來壓區域的比例達到了31.6%，另有3次達到了15.7%～21%，其它均在5%以下。同時通過計算其它非強烈來壓時的安全閥開啟值均在基本在5%～26%之間，處于較小的區域。

3.3 活柱下縮量統計

通過測量生產期間每刀煤間隔期間活柱下縮和停機期間活柱下縮，具體數據見表3、表4，表明工作面支架活柱下縮量小，基本上穩定在20mm以下，帶壓停機時最大為26mm，活柱下縮量較小，從活柱下縮量可以看出所選支架能適應大采高工作面來壓強度。

表3 停機期間測活柱下縮量

表4 生產期間測活柱下縮(間隔一刀煤)

綜合來看，一般情況下，工作阻力均小于26000kN，但強烈來壓時，特別是來壓較快的周期內，安全閥開啟率最大在15.7%～31.5%之間，有一定比例的支架超過設計工作阻力，但實測支架活柱下縮量不大，所選支架整體上能適應工作面來壓情況。

4 結 論

1)上灣煤礦8.8m超大采高綜采面初次來壓步距為45m，來壓持續5m，壓力超過安全閥開啟值，35#—80#支架來壓持續時間最長，壓力也最強。隨著煤層埋深變淺，周期來壓步距逐漸變大，由平均10.05m升至平均12m，后又升至平均16.4m。

2)不同階段周期來壓規律有一定連續性。總的來看，周期來壓步距“大—中”交替規律逐漸顯現，來壓強度上也有“大—小”交替情況；大步距礦壓顯現集中，中部支架壓力明顯大于兩端支架，小步距礦壓呈機頭機尾兩段顯現，而機頭壓力一般大于機尾壓力。來壓步距與來壓強度之間無必然聯系。隨著推進速度的加快，來壓強度有減緩趨勢。

3)通過三個階段周期來壓規律對比，大采高工作面受埋深影響較大，埋深較深時，工作面周期來壓超過50MPa的次數多，而較淺談時，超過50MPa的次數少。

4)從實測結果可以看出，礦壓顯現劇烈時，確實存在估算工作阻力超過所選支架實際工作阻力的情況。但超出工作阻力的支架數量并不多。強烈來壓期間，安全閥開啟率也不高，而且從支架活柱下縮量來看，生產和停機期間活柱下縮量都不大。所以，所選支架能夠滿足實際生產需要。