大采高工作面礦壓規律分析

焦炎斌

（山西高平科興游仙山煤業有限公司，山西 高平 048400）

大采高綜采工作面不僅可以提高生產效率，而且采空區遺煤少，回采率高，噸煤成本低，已經成為4～6 m厚煤層的一種主要開采方式。但由于采高的增大，直接頂巖層冒落后無法充滿采空區，周期來壓期間來壓劇烈，同時工作面煤壁極易發生片幫、冒頂等端面失穩現象，造成一定的安全隱患［1-4］。因此進行大采高工作面的礦壓規律分析對保障工作面的安全回采具有重要的意義。

1 工程概況

1.1 地質條件

山西高平科興游仙山煤業15210 綜采工作面位于+810 水平二采區，開采煤層為15 號煤層，15210 的首采工作面。東側為井田邊界，西側為采區回風大巷，南北兩側為設計的工作面。15 號煤厚度為3.20～5.16 m，平均厚4.10 m，煤層傾角1°～7°；煤塵無爆炸性，自燃傾向性等級為Ⅱ級；煤層結構簡單，頂底板巖性見圖1。

圖1 游仙山礦15 號煤頂底板巖性

1.2 生產條件

15210 綜采工作面為一次采全高長壁開采工作面，全部垮落法處理頂板。工作面傾向長153 m，走向長度872 m，工作面主要設備見表1。其中中部液壓支架的初撐力為6 184 kN，支護強度為0.78 MPa，底板比壓2.2 MPa，操作方式為本架操作。采煤機割煤方式為雙向割煤，端頭斜切進刀。正常回采情況下，工作面液壓支架最大控頂距5 300 mm，最小控頂距4 700 mm，移架步距為600 mm。

表1 3206 工作面主要設備

2 礦壓觀測分析

2.1 觀測內容及方案

（1）回采工作面礦壓觀測

在15210 工作面對支架工作阻力以及工作面回采期間的片冒特征進行觀測統計。從第3 架支架開始，每隔10 架依次在3 架～93 架上安裝YHY60W型礦用支架工作阻力記錄儀，共安裝10 個。同時從第10 架開始，間隔20 架在10 架、30 架、50架、70 架、90 架上設置測站，對工作面正常回采和來壓期間頂板和煤壁的片冒情況進行觀測記錄。

（2）順槽超前壓力觀測

在15210 工作面運輸順槽安設錨桿測力計，對工作面超前支承壓力影響范圍進行觀測。一共布置3 個測站，分別距開切眼的距離為70 m、150 m和250 m。該巷道的斷面規格為5 200 mm×3 400 mm（寬×高），在全斷面錨桿索上安裝MCS-400 礦用本安型測力計，每個斷面共安設13 臺測力計，其中螺紋鋼錨桿8 臺，玻璃鋼錨桿3 臺，頂錨索2臺。每個斷面的測力計按圖2 方式進行編號。

圖2 測力計安裝位置

2.2 來壓特征

現場觀測表明，15210 工作面來壓期間出現了端面失穩現象。其主要的表現形式為煤壁片幫，平均片幫深度0.4 m，最大深度為0.9 m，發生在65 號支架處；平均片幫高度0.8 m，最大高度為1.2 m，發生在78 號支架處。片幫位置主要集中在煤壁上部，片幫形式為滑落式和拉裂式［5-6］，見圖3。與工作面兩側相比，工作面中部的片幫頻率相對較高，片幫尺寸也相對較大。

圖3 15210 工作面片幫主要形式

2.3 支架工作阻力分析

（1）傾斜方向工作阻力分析

根據不同推進距離內的支架工作阻力監測結果，可以發現15210 傾斜方向的支架工作阻力呈現中間高、兩頭低的特點，見圖4。

圖4 支架平均工作阻力變化曲線

（2）推進方向工作阻力分析

15210 工作面液壓支架的工作阻力為8 000 kN，按2 000 kN的梯度劃分為4 個區間，各個測點支架的工作阻力在不同區間之間的占比見表2。

表2 支架工作阻力區間統計

統計結果表明，大部分支架的工作阻力集中在6 000～8 000 kN之間，平均之比為59.47%。工作阻力小于4 000 kN的占比為1.14%，大于8 000 kN的支架占比為0.11%。表明支架工作選型合理，能夠滿足生產要求，但支架處于高負荷狀態，富余量相對較少，遇到斷層等地質構造條件下可能無法對頂板有效支護。

2.4 支承壓力分布規律

3 個錨桿索受力觀測測站的觀測結果大致相同，以2 號測站為例，其實體煤幫2 號螺紋鋼錨桿、頂板6 號螺紋鋼錨桿、實體煤幫10 號玻璃鋼錨桿和頂13 號錨索的測力計觀測結果見圖5。

圖5 錨桿索受力監測結果

從錨桿索的受力曲線可以看出，錨桿和頂錨索在工作面前方46.5 m最先受到超前支承壓力的影響，實體煤幫受影響最晚，到工作面推采至37.8 m時才有顯現。當工作面推至17.6 m左右時，全斷面的錨桿索支護體受力均有明顯增大，說明工作面最大超前支承壓力影響范圍為37.8～46.5 m，劇烈影響范圍在20 m以內。

3 工作面來壓步距分析

3.1 理論計算

采用如下公式計算工作面的初次來壓步距和周期來壓步距。

式中：h為基本頂巖層的厚度，m；Rt為基本頂巖層的單軸抗拉強度，MPa；q為上覆巖層對單面基本頂面積上的載荷，kN/m2。

游仙山礦15210 工作面的基本頂為粉砂巖，單軸抗拉強度為3.46 MPa，基本頂單位面積上的載荷為0.34 MPa，代入可得，初次來壓步距為29.8 m，周期來壓步距為12.2 m。

3.2 初次來壓觀測分析

現場觀測表明，15210 工作面推采9 m左右時直接頂巖層開始逐漸出現破壞，從工作面中部逐漸向兩側延伸。當工作面推采到16 m左右時，垮落的頂板巖層基本已經將采空區充滿。繼續推采至33 m左右時，在工作面支架前方能夠聽到明顯的基本頂巖層斷裂的聲音，但整個工作面來壓強度不大，礦壓顯現比較平緩。

通過觀測可知，在不計入開切眼尺寸的前提下，15210 工作面的初次來壓步距約為30.2～32.6 m，平均31.7 m，與理論計算結果較為接近。

3.3 周期來壓觀測分析

根據礦壓觀測方案，在200 m推采距離期間，共觀測到8 次工作面周期來壓，來壓步距波動較大，最大為26.7 m，最小為9.8 m，平均來壓步距17.6 m，與理論計算結果有較大差距。隨著工作面的推進，工作面周期來壓情況明顯不同，可分為三個區域。

（1）低壓區

從開切眼至推采58 m的范圍內，由于工作面初采，采動不充分，工作面支架工作阻力變化相對較小，端面煤巖體穩定性好，片幫較少。

（2）過渡區

隨著工作面繼續推進，在60～135 m期間，工作面的礦壓顯現相對劇烈，支架工作阻力明顯變大。

（3）高壓區

當工作面推過150 m時，與工作面開切眼長度相當時，工作面液壓支架工作阻力變大，片幫明顯，端面穩定性差。

3.4 來壓期間工作阻力分析

選取3 號、23 號、43 號、63 號、83 號93 號支架對正常回采和來壓期間的工作阻力進行對比分析，見表3。

表3 支架工作阻力統計（單位/MPa）

由表3 可以看出，初次來壓期間的平均支架工作阻力為28 MPa，平均動載系數為1.1，周期來壓期間的工作阻力為28.7 MPa，動載系數為1.13。工作面來壓期間支架動載系數較小，無沖擊載荷影響，并且周期來壓的來壓強度大于初次來壓。

4 結論

1）15210 傾斜方向的支架工作阻力呈現中間高、兩頭低的特點，并且工作阻力在6 000～8 000 kN之間的占比為59.47%，支架選型合理，工作阻力能夠滿足生產要求。

2）15210 工作面來壓期間的端面失穩形式為煤壁片幫，片幫位置集中在煤壁上部，片幫形式為滑落式和拉裂式，并且工作面中部片幫頻率較高。

3）15210 工作面的超前支承壓力影響范圍為37.8～46.5 m，其中前方17.6 m為劇烈影響區，工作面20 m的超前支護距離選取合理。

4）15210 工作面的平均初次來壓步距為31.7 m，與計算結果較為接近，周期來壓步距為17.6 m，并且來壓期間，支架動載系數較小，周期來壓強度大于初次來壓。