厚煤層綜采工作面沖擊礦壓顯現規律研究

（山西省太原市萬柏林區西山高級技工學校 山西 030053）

煤礦開采過程中，沖擊礦壓問題一直是影響煤礦安全開采的重大問題。煤礦開采后不可避免的破壞了原本穩定的煤巖體結構，煤層厚度不同，回采工作面形成的煤巖體結構不盡相同，不同結構的煤巖體在回采后的危險性也有所差別。隨著回采工作面的推進，煤壁與液壓支架支柱中心距的增大，原本穩定的煤巖體結構受到內部剪切力的作用，上覆煤巖體呈現破斷滑落失穩的趨勢，當作用在液壓支架上的載荷大于液壓支架的承載力時，煤巖體內部壓力突然增大，當沖擊礦壓峰值大于上覆煤巖體結構的承載能力時，就發生了礦壓顯現或壓架事故[1]。本文以某礦15號煤層回采工作面為研究背景，分析了沖擊礦壓顯現的機理；通過分析該礦回采工作面的沖擊礦壓大小的統計數據，得到該回采工作面的沖擊礦壓顯現規律，在15號煤層工作面回采過程中具有一定的實際意義。

1.研究背景

某礦15號煤層，煤層厚度最小值3.9m，最大值4.1m，平均厚度4m，屬于厚煤層，工作面煤層厚度變化不大，煤層結構簡單；煤層傾角-2°-5°，為近水平煤層，該工作面內無斷層、陷落柱等隱伏構造發育，煤層賦存穩定。煤層老頂為K2灰巖，層理結構，局部裂隙較發育，厚度變化不大；直接頂為泥質灰巖，黏土含量高，直接頂普式硬度6.3-10；老底為砂質泥巖、粉砂巖，質地較松軟，隔水效果好。該工作面的水害主要來自于老頂灰巖巖溶裂隙含水層，充水形式為沿頂板巖石裂隙進入礦井。地面標高+1030m～+1150m，工作面標高+752m～+770m，埋深260m-400m，工作面寬370m-405m，使用ZZ 6400/22/45型液壓支架，支架中心距1.5m，支撐高度2.2m-4.5m。

該工作面回采過程中頻繁發生礦壓顯現，周期來壓大小在4000kN-9000kN之間，嚴重影響回采安全，甚至發生壓架事故。本文以該礦15號煤層回采工作面為背景，研究該礦15號煤層回采過程中礦壓顯現規律，并與現場監測數據進行驗證。

2.礦壓顯現機理分析

某礦15號煤層雖然是厚煤層，但煤層平均厚度只有四米，工作面采空區上覆巖石運動空間小，巖石活動相對較小，能形成穩定的直接頂懸臂結構和基本頂砌體梁結構，在實際生產過程中，根據15號煤層開采過程中礦壓觀測記錄，頂板離層量最大變化值為0mm，最小變化值為0mm，錨桿（索）壓力表最大變化值為0MP，最小變化值為0MP。因此將礦壓顯現力學模型進行簡化，簡化后的模型如圖1[2]。

圖1 15號煤層礦壓顯現簡化模型

(1)正常回采階段

在正?；夭蛇^程中，液壓支架只承受上覆巖石的靜載荷，直接頂在回采過程中形成懸臂梁結構，基本頂在回采過程中形成砌體梁結構，當沖擊地壓不顯現時，液壓支架只承受直接頂的負載，根據某礦15號煤層礦壓顯現簡化模型得到液壓支架靜載荷的計算公式為：

式中：L為直接頂懸臂梁的長度，m；h為直接頂厚度，m；RT為直接頂泥質灰巖的抗拉強度，MPa；q為直接頂懸臂梁單位長度上的載荷，MPa。

式中：G為直接頂懸臂梁的自重，MPa；b為支架寬度，m。

式中：x為煤壁至懸臂梁中心的距離，m。

式中：FC為液壓支架需承擔懸臂梁作用力，kN；ld為支架頂梁長度，m；k為相鄰支架前移后的設計系數，取值1.1-1.25；lr為煤壁至液壓支架立柱中心線的距離，m。

將上述公式（1）（2）（3）帶入公式（4）得到：

從公式（5）中可以發現，液壓支架需承擔的懸臂梁作用力，與懸臂梁的長度、厚度成正比例關系；與支架頂梁長度、支架寬度成正比例關系；與煤壁至液壓支架立柱中心線的距離成反比例關系。當液壓支架需承擔的懸臂梁作用力超過液壓支架的支撐能力，則懸臂梁發生破斷，或者壓架事故，嚴重影響煤礦開采安全。

(2)礦壓顯現階段

隨著回采工作面的不斷推進，直接頂懸臂梁的長度逐漸增大，懸臂梁呈現回轉破斷傾向，液壓支架承受的工作阻力逐漸增大，在煤巖體內部，礦壓突然增大，當沖擊礦壓峰值大于砌體梁的承載能力后，砌體梁呈現處破斷失穩傾向，為了確保直接頂懸臂梁結構和基本頂砌體梁結構的穩定，液壓支架需承擔兩部分的載荷：一部分用于防止砌體梁結構失穩，一部分用于維持懸臂梁結構的完整行和穩定性。此時，液壓支架需承擔作用力為：

式中：F為液壓支架需承擔作用力，kN；Fc為液壓支架需承擔懸臂梁作用力，kN；Fj為維持砌體梁結構所需作用力，kN。

式中：l為周期來壓步距，m；φ為砌體梁內巖石（K2灰巖）的內摩擦角，（°）；θ為砌體梁內巖石（K2灰巖）的破斷角，（°）；h為關鍵塊層高，m；s為關鍵塊下沉量，m；Q0為關鍵層自身及其上控制層的載荷，kN。

由上可得：

從上式可以得到，液壓支架維持砌體梁結構所需的作用力與關鍵層自身及其上控制層的載荷成正比例關系；與支架寬度成正比例關系；與關鍵塊層高和關鍵塊下沉量之差成反比例關系；與砌體梁內巖石的內摩擦角和砌體梁內巖石的破斷角的正弦值成正比例關系；與周期來壓步距成正比例關系。當沖擊礦壓大于維持砌體梁結構穩定所需的作用力，則砌體梁發生失穩破斷，砌體梁下的懸臂梁結構受到剪切力的作用失穩破斷，此時，從正?；夭蔂顟B下穩定的“懸臂梁-砌體梁”結構，變成沖擊礦壓顯現，懸臂梁剪切破斷后的“砌體梁”結構[3]。

3.工作面礦壓顯現規律分析

某礦15號煤層，埋深260m-400m，工作面寬370m-405m，使用ZZ 6400/22/45型液壓支架，支架中心距1.5m，支撐高度2.2m-4.5m。在15號煤層回采過程中，通過對工作面的液壓支架工作阻力和沖擊礦壓的統計發現，支架阻力和沖擊礦壓顯現頻次存在以下關系，如圖2。

圖2 15號煤層回采工作面沖擊礦壓大小

從圖2中可以得到，回采工作面周期來壓期間，液壓支架的工作壓力集中在回采工作面的中部出現三個峰值，峰值點分布在40-80號、110-160號、170-200號支架區間內，三個支架區間同步來壓，說明在與該工作面上述三個支架區間相對應的煤巖體內，沖擊礦壓數值較大，相應區域內的上覆懸臂梁直接頂和砌體梁基本頂受到剪切力破斷失穩的可能性相對更大，在這三個區域內回采工作的安全風險相對更大。

因此，根據上述分析，某礦15號煤層回采過程中，在40-80號、110-160號、170-200號支架區間內選用相對較大支護強度的液壓支架，在沖擊礦壓峰值區域外，采用支護強度相對較小的液壓支架，對維持液壓支架上覆“懸臂梁-砌體梁”結構的穩定性，同時充分發揮液壓支架的支護作用，科學合理的提高支護效率具有重要意義。

4.結論

本文通過對某礦15號煤層回采過程中回采工作面“懸臂梁-砌體梁”結構進行力學分析，統計分析了回采工作面沖擊礦壓大小和沖擊礦壓顯現頻次進行分析，提出了一種充分發揮回采工作面液壓支架選型方案，具體結論有：

（1）煤層回采過程中，工作面形成“懸臂梁-砌體梁”結構，當正常回采時，液壓支架只承受直接頂的負載；當沖擊礦壓顯現時，液壓支架需提供防止砌體梁結構失穩和維持懸臂梁結構的完整性的工作阻力。

（2）某礦15號煤層回采工作面的沖擊礦壓大小呈“W”特征，在40-80號、110-160號、170-200號支架區間內沖擊礦壓出現峰值。

（3）沖擊礦壓峰值所處的支架區間內選用支護強度相對較大的液壓支架，在峰值所處的支架區間外選用支護強度相對較小的液壓支架，有利于科學合理的提高支護效率。