中厚煤層超長工作面礦壓顯現規律與來壓機理分析

黃思強

（河南能源化工集團永煤公司陳四樓煤礦，河南 永城 476600）

隨著煤炭開采技術與水平的提高，通過加長工作面長度提高煤炭資源回收率，減少資源占有成本[1-2]。工作面長度加長，采場覆巖破斷及移動規律將發生顯著改變，出現應力分布復雜、礦壓顯現劇烈等問題[3-4]。本文對陳四樓煤礦2803 超長工作面液壓支架工作阻力進行實測，分析基本頂破斷特征及礦壓顯現規律，揭示超長工作面基本頂來壓破斷機理與覆巖運動規律，為類似工作面提供參考和借鑒。

1 概況

陳四樓2803 超長工作面位于井田八采區，主要開采二2 煤層。工作面呈東西方向布置，工作面埋深585～708 m，走向長1306～1315 m，傾向斜長367 m，平均煤厚2.64 m。直接頂為泥巖，平均厚3.84 m；基本頂為中砂巖，平均厚13.28 m；直接頂為泥巖，平均厚4.67 m。工作面布置液壓支架247 架。

2 來壓步距理論計算

（1）初次來壓步距計算

隨著工作面往前推進，頂板懸露長度不斷加大，當達到極限跨距時，基本頂發生破斷。當基本頂初次破斷前，可將基本頂看作四周固定的彈性梁結構，其基本頂垮落步距L1可用公式（1）[5]：

式中：h為基本頂厚度，m；RT為基本頂抗拉強度，MPa；q為基本頂載荷集度，MPa。

根據頂板巖層柱狀圖，可得基本頂為13.28 m厚的中粒砂巖，載荷集度為0.29 MPa，由實驗室測得其抗拉強度RT為2.10 MPa。代入上式可得2803工作面初次來壓步距為50.5 m。

（2）周期來壓步距計算

基本頂初次來壓發生破斷，使得圍巖結構由原來的固定梁變為簡支梁，此時基本頂的周期來壓步距L2可采用公式（2）[5]計算：生初次來壓，工作面礦壓顯現較明顯，但大部分液壓支架工作阻力仍有一定富余，支架工作狀態良好。現場實測數據表明，工作面基本頂初次來壓步距為48.5～50.3 m，平均49.4 m，動載系數為1.02～1.21，平均1.12，動載系數較小，說明工作面推進期間，頂板受力均勻，來壓較小。

將各參數代入公式（2）算得周期來壓步距為20.8 m。

理解幼兒的思維和需要是教育的基礎和前提，所以家長和教師應當在對幼兒細致觀察的基礎上來分析幼兒的行為，以此確定幼兒活動的價值。充分利用兒童對一切事物無邊的好奇的這一特點，在保護好兒童好奇心的基礎上，進一步促進他們創造力與想象力的發展。

3 超長工作面礦壓顯現規律

3.1 支架阻力監測方案

礦壓監測設備采用KJ24 型礦壓監測系統，主要對工作面ZY5000-16/35 型液壓支架工作阻力進行監測。為保證監測精度，沿工作面傾向共布置36臺數字壓力計，監測設備布置間距為7～8 臺液壓支架。由于監測數據較多，僅在液壓支架上、中、下部各選取3 個測點進行分析，具體支架編號為：21#、53#、85#、101#、133#、165#、181#、205#、237#。其中以85#和181#為界，將工作面支架分為上部、中部和下部支架。回采過程中，實時監測支架工作阻力及工作面來壓情況。支架監測點布置如圖1。

圖1 工作面液壓支架監測點布置

3.2.2 工作面周期來壓特征

（1）支架周期來壓判據計算

通過日加權阻力和日最大工作阻力對工作面來壓步距進行分析，以支架的平均阻力與其均方差之和作為判斷頂板來壓的主要指標。頂板來壓判據計算的公式為Pt=Pj+σp，式中：Pj為循環末阻力的平均值；σp為支架循環末阻力的均方差。

（2）周期來壓步距分析

通過分析工作面支架日加權工作阻力及最大阻力曲線圖，確定不同部位支架的周期來壓次數及周期來壓步距，進而分析整個工作面頂板周期來壓規律。

由表1 可知，觀測期間，工作面共經歷了6 次周期來壓，最小來壓步距為16.9 m，

表1 基本頂周期來壓步距

3.2 監測結果分析

3.2.1 液壓支架工作阻力概述

圖2 101#支架工作阻力分布曲線

最大來壓步距24.6 m，平均20.4 m。工作面上、中、下部液壓支架平均周期來壓步距依次為20.9 m、17.9 m 和22.4 m。根據實測數據可知，工作面中部周期來壓步距小于兩端周期來壓步距。這可能是因為超長工作面中部首先產生裂隙并發生破斷，隨著工作面向前推進，工作面基本頂裂隙開始由中部逐漸向工作面兩端發育，導致工作面中部來壓步距相對較小，而兩端來壓步距相對較大。

3.2.3 液壓支架平均循環末阻力

工作面不同區域液壓支架平均循環末阻力值統計情況如圖3。

圖3 工作面支架平均循環末阻力分布情況

由圖3 可知，液壓支架循環末阻力較平穩，工作面推進期間支架受力較均勻。其中，支架平均循環末阻力為3 842.8 kN，為額定工作阻力的76.9%，說明支架阻力仍有一定富余量，整體上工作狀態良好。值得注意的是，工作面兩端平均循環末阻力為3 980.1 kN，中部支架平均循環末阻力為3 568.1 kN，工作面阻力在傾向上表現出明顯的差異性，即工作面中部支架平均循環末阻力明顯低于工作面兩端支架平均循環末阻力，這與周期來壓顯現規律一致。

3.2.4 液壓支架工作阻力頻率分布情況

液壓支架工作阻力頻率分布特征是評價其工作性能和頂板沖擊程度的主要依據，合理的工作阻力分布特征應為一個近似的正態分布。對支架循環阻力按每個區間寬度為720 kN 劃分若干個區間，統計各液壓支架工作阻力在各區間段百分比，支架工作阻力分布頻率統計如圖4。

由圖4 可知，工作面液壓支架工作阻力總體呈正態分布，其中工作面支架處于低阻力區（0～2160 kN）的比例占30.4%，中阻力區（2160～4320 kN）的比例占57.5%，高阻力區（＞4320 kN）的比例占12.1%。這說明工作面推進過程中，支架總體處于正常工作狀態。工作面上部及下部區域支架工作阻力主要分布頻率為2880～5000 kN，要大于中部的1440～3600 kN。說明工作面推進過程中，中部支架的受力總體小于工作面兩端。

圖4 上中下三部支架工作阻力分布頻率統計圖

4 超長工作面來壓機理分析

工作面長度增加后，工作面基本頂沿傾向的垮落程度難以同步，影響超長工作面的正常回采。基本頂分區破斷特征如圖5。

圖5 基本頂分區破斷特征

由圖5 可知，工作面傾向上覆巖層形成拱形承壓結構，根據拱的非線性理論[6]，其基本頂破斷特征可大致分為三個階段：（a）中部裂隙發育階段。根據拱結構力學特性，由于工作面長度加長，工作面中部裂隙優先發育。即受到巖層上覆載荷及采動影響時，基本頂中部裂隙發育擴展速度快于工作面兩端而首先形成貫通的宏觀裂縫。（b）中部頂板破斷階段。隨著中部基本頂裂隙不斷接續發展，破裂演化直至貫通形成宏觀裂縫。此時，頂板中部下方采空區不斷被壓密，應力集中區范圍增大并向工作面兩端擴張。（c）中部應力轉移階段。隨著應力集中程度加大，工作面中部發生局部破斷并釋放應力，而工作面兩端形成的懸臂梁結構起主要承壓作用，使得工作面中部應力轉移至巷道兩端，最終形成應力“中間小，兩端大”的分布特征。因此，頂板破斷垮落的分區現象最終引起了超長工作面液壓支架工作阻力的分區。

5 結論

（1）據實測，陳四樓礦2803 超長工作面初次來壓步距為49.4 m。監測期間工作面共經歷6 次周期來壓，周期來壓步距為20.4 m。工作面平均動載系數為1.12，工作面礦壓顯現總體上較平穩。

（2）工作面兩端液壓支架平均循環末阻力為3 980.1 kN，中部液壓支架平均循環末阻力為3 568.1 kN。工作面中部支架平均循環末阻力明顯低于兩端支架平均循環末阻力。

（3）根據拱的非線性理論，超長工作面基本頂傾向形成拱形承壓結構。隨著工作面推進，頂板中部彎曲下沉引起裂隙不斷發育，裂隙貫通后發生破斷。巖層破斷垮落后在中部形成卸壓區，超長工作面液壓支架工作阻力出現“中間小，兩端大”的分布特征。