大傾角工作面礦壓分析及預警研究

岳學偉 YUE Xue-wei

（國家能源集團寧夏煤業有限責任公司，銀川 751411）

0 引言

隨著煤炭需求的日益增加，近水平、緩傾斜煤層逐漸開采殆盡，大傾角煤層的開采越來越多。然而大傾角煤層的開采仍存在一些未解決的技術難題。針對大傾角開采的技術難題，近年來不少學者對大傾角煤層開采采場頂板結構、工作面沿走向礦壓顯現特征以及圍巖災害防治技術等相關理論進行了大量研究。但對工作面沿走向礦壓顯現規律研究相對較少，本文利用支架電液控數據及現場實測相結合的方法，對某煤礦220705綜采工作面煤層開采過程中工作面綜采區域礦壓分析及預警進行研究，旨在進一步確定支架載荷的分區特征，以便于提前做好頂板控制預警，防止頂板事故的發生。

1 工作面及基本支架參數

某礦220705工作面及其基本支架主要特征參數見表1。

表1 工作面及基本支架參數

2 工作面區域頂板周期來壓特征統計

220705工作面共布置96臺支架，此次分析，計算了工作面正常推進158.9-649.8m（約209個割煤循環）過程中8個區域工作阻力，統計工作面機頭區域（1-20#支架）、中部1區（21-30#支架）、中部2區（31-40#支架）、中部3區（41-50#支架）、中部4區（51-60#支架）、中部5區（61-70#支架）、中部6區（71-80#支架）、機尾區域（81-96#支架）共96個支架的工作阻力；以20、16、10、10、10、10、10、10臺支架寬度作為1個分析區域寬度，并以區域內全部支架同一循環工作阻力均值變化特征，研究工作面區域礦壓變化規律。

工作面區域頂板周期來壓特征計參數主要有：來壓時支架工作阻力判據來壓值、頂板穩定運動（非來壓）步距及支架循環末阻力、來壓開始和結束時刻、頂板顯著運動（來壓持續）步距和支架循環末阻力、頂板周期來壓步距以及支架動載系數等。

分析數據可知，工作面推進158.9-649.8m過程中，機頭區域（1-20#支架）、中部1區（21-30#支架）、中部2區（31-40#支架）、中部3區（41-50#支架）、中部4區（51-60#支架）、中部5區（61-70#支架）、中部6區（71-80#支架）、機尾區域（81-96#支架）分別經歷了5、7、11、8、4、8、6、1次完整的老頂周期來壓。

3 工作面區域頂板來壓步距分析

3.1 工作面區域頂板周期來壓步距

①頂板周期來壓步距變化范圍為27.9-268.8m，均值為83.6m，折合割煤刀數平均97刀；頂板周期來壓步距均方差為0.0-125.8m，其中機頭區域頂板周期來壓步距變化范圍最大，為3.8-324.8m。

②機頭區域來壓步距3.8-324.8m，均值為77.4m；中部1區來壓步距10.2-124.2m，均值為43.1m；中部2區來壓步距5.1-247.2m，均值為38.2m；中部3區來壓步距11.2-243.2m，均值為55.9m；中部4區來壓步距16.6-329.6m，均值為113.8m；中部5區來壓步距3.8-256.8m，均值為44.0m；中部6區來壓步距3.8-86.4m，均值為27.9m；機尾區域來壓步距268.8-268.8m，均值為268.8m。

3.2 工作面區域頂板相對穩定運動步距

①頂板相對穩定步距（也稱非來壓步距）變化范圍為22.7-208.0m，均值為63.2m，折合割煤刀數平均73刀；頂板相對穩定步距均方差為0.0-101.4m，其中機頭區域頂板相對穩定步距變化范圍最大，為2.4-264.0m。

②機頭區域來壓步距2.4-264.0m，均值為61.9m；中部1區來壓步距6.4-77.6m，均值為32.6m；中部2區來壓步距3.2-207.2m，均值為29.3m；中部3區來壓步距8.0-184.8m，均值為40.9m；中部4區來壓步距10.4-208.8m，均值為76.2m；中部5區來壓步距2.4-203.2m，均值為33.8m；中部6區來壓步距2.4-84.0m，均值為22.7m；機尾區域來壓步距208.0-208.0m，均值為208.0m。

3.3 工作面區域頂板顯著運動步距

①頂板顯著運動步距變化范圍為5.2-60.8m，均值為20.5m，折合割煤刀數平均24刀；頂板顯著運動步距均方差為0.0-48.1m，其中中部4區頂板顯著運動步距變化范圍最大，為6.2-120.8m；

②機頭區域來壓步距1.4-60.8m，均值為15.5m；中部1區來壓步距2.4-46.6m，均值為10.5m；中部2區來壓步距1.9-40.0m，均值為8.9m；中部3區來壓步距2.4-58.4m，均值為15.0m；中部4區來壓步距6.2-120.8m，均值為37.6m；中部5區來壓步距1.4-53.6m，均值為10.2m；中部6區來壓步距1.4-11.2m，均值為5.2m；機尾區域來壓步距60.8-60.8m，均值為60.8m。

3.4 工作面區域支架循環末阻力

支架循環末阻力是支架工作阻力是否滿足控頂要求的主要評判標準。

①非來壓時，工作面支架循環末阻力為5704-107723kN，均值為18837kN，占額定工作阻力（10000kN）的57%-1077%，平均188.37%；

來壓時，工作面支架循環末阻力為6452-435672kN，均值為60853kN，占額定工作阻力（10000kN）的65%-4357%，平均608.53%。

②非來壓時，工作面機尾區域平均末阻力最大，機頭區域平均末阻力最小；

來壓時，工作面機尾區域平均末阻力最大，機頭區域平均末阻力最小。

③非來壓時，支架循環末阻力均方差均值為9233kN，占額定工作阻力的92.33%；來壓時，支架循環末阻力均方差均值為13320kN，占額定工作阻力的133.20%。

工作面全部支架循環末阻力（頂板壓力）均以4000kN作為來壓判定值標準（大值標準）。

3.5 支架動載系數

頂板運動產生了支架工作阻力及其變化，可以用來壓前和來壓時支架上的頂板壓力差異來描述頂板運動對支架工作阻力的影響。動載系數KD=來壓時支架工作阻力／來壓前支架工作阻力。

①區域動載系數為1.1-6.2，均值為1.8，機尾區域支架動載系數均值最大，為6.2，機頭區域支架動載系數均值最小，為1.1。

②一般認為動載系數KD＜1.2為來壓不明顯；KD=1.2～1.5為來壓明顯；KD=1.5～2.0為來壓強烈；KD＞2為來壓非常強烈（超強烈）。由于220705工作面頂板來壓時支架動載系數均值為1.8。因此，可以認為220705工作面礦壓顯現為來壓強烈。

4 前期工作面礦壓分析和主要結論

4.1 工作面分區及來壓線

本工作面共布置96臺支架。以若干個相鄰支架作為一個區域，全工作面共劃分成頭三角1區、尾三角1區和中部6區共8個礦壓分析區域。

取支架電液控礦壓數據作為礦壓分析基礎信息，定義礦壓分析區域內全部支架循環末阻力及其變化特征作為區域頂板來壓顯現的主要標志，定制一個來壓線值，支架循環末阻力大于來壓線認為頂板來壓（顯著運動），小于來壓線為頂板不來壓（相對穩定運動），8個區域有各自不同的來壓判定值標準（個性化標準）。

4.2 礦壓大數據分析主要成果

計算了工作面正常推進500.2-649.8m（2020年12月1日中班至2020年12月16日中班）149.6m（約173個割煤循環）過程中全部8個頂板區域支架工作阻力及來壓情況，工作面頂板平均經歷了6次周期來壓。

本文列出了近期6個頂板來壓特征值，見表2。由表2可知：

表2 大數據頂板區域來壓特征（500.2-649.8m）

①8個區域頂板來壓線值為6181-253699kN（19.2-788.6MPa）。其中，機尾區域和中部4區來壓線最高，分別為253699kN（788.6MPa）和7638kN（23.7MPa）。

②頂板周期來壓步距均值50.8m，相對穩定步距均值為32.4m，顯著運動步距均值為18.3m，區域動載系數均值為1.8，來壓顯現明顯，離散性較大。

③工作面不同部位頂板來壓顯現有明顯差別，來壓強度6579-435672kN（20.5-1354.3MPa）。礦壓顯現的區域主要集中在機尾區域和中部4區，來壓強度分別為435672kN（1354.3MPa）和7848kN（24.4MPa）。

④單支架工作阻力超額定工作阻力90%（來壓強烈）的比例，見表3。

表3 單架頂板強烈來壓以上顯現特征（500.2-649.8m）

⑤單支架動載系數超1.5（來壓強烈以上）的比例，見表3。

5 工作面區域來壓預警分析

5.1 工作面區域來壓預警約定

來壓預警是根據當前工作面推進步距至649.8m一刀煤之前的礦壓大數據來壓分析，甄別目前割煤刀以及預警此后1-3刀割煤時頂板來壓情況，見表4。

表4 最大來壓強度2個區頂板來壓預警

5.1.1 當前割煤刀來壓甄別

①統計工作面8個區域。其中0個頂板區域來壓。來壓區域寬度占比0%。

②當前割煤刀時頂板壓力最大的2個重點區域分別為：機尾區域不來壓，來壓強度5514kN（17.1MPa）；中部1區不來壓，來壓強度5400kN（16.8MPa）。

5.1.2 未來1-3刀割煤時來壓預警

應判定每刀割煤時下列頂板來壓參數。未來1刀時：

①統計工作面8個區域。其中4個頂板區域來壓，來壓區域寬度占比50%。

②預警來壓強度最大的2個重點區域：機尾區域超強來壓，預警級別為III級，紅色預警，來壓強度120216kN（373.7MPa），動載系數KD=1.71：中部4區來壓明顯，預警級別為I級，黃色預警，來壓強度9321kN（29.0MPa），動載系數KD=1.42。

未來2刀和3刀時：工作面分別有6個和5個區域頂板來壓，見圖1。

圖1 頂板壓力綜合分析圖

注：紅色（Ⅲ級預警），表示超強來壓—區域支架工作阻力大于額定工作阻力的99%，支架循環活柱縮量明顯，或支架動載系數KD≥2.0；紫色（Ⅱ級預警），表示強烈來壓—區域支架工作阻力為額定工作阻力的90%～99%，或支架動載系數KD≥1.5；黃色（Ⅰ級預警），表示明顯來壓—區域支架工作阻力大于來壓線但小于額定工作阻力的90%，且支架動載系數KD：1.1～1.5；綠色（〇級預警），表示不來壓—區域架工作阻力小于來壓線，或支架動載系數KD＜1.1。

③區域內超50%支架來壓且KD≥1.1時，判定為明顯來壓；超過2個支架為強烈來壓或KD≥1.5時，判定為強烈來壓；當超過2個支架為超強來壓或KD≥2時，判定為超強來壓。詳細信息見表5。

表5 區域來壓預警統計表（未來1刀）

5.2 頂板來壓預警綜合圖

綜合圖反映采場推進方向3個位置頂板來壓狀態，見圖1。①采空區：2色彩云圖表示工作面后方采空區（500.2-649.8m）內96臺支架上方的6-7個頂板周期來壓跨度范圍的頂板壓力分布情況。②當前煤壁區：用方形4色塊表示當前煤壁區內區域頂板壓力情況。統計工作面8個區域，其中紅色預警的有0個區域；紫色預警的有0個區域；黃色預警的有0個區域。③預測區（1刀）：用圓形4色塊表示預測區內區域頂板壓力預測情況。統計工作面8個區域，其中紅色預警的有1個區域；紫色預警的有0個區域；黃色預警的有4個區域。

6 小結

本文以支架電液控礦壓數據作為礦壓分析的基礎，對工作面區域頂板周期來壓步距、穩定運動步距、顯著運動步距、支架循環末阻力進行了分析，研究了工作面推進過程中8個區域支架平均循環末阻力分布曲線，制定了8個區域來壓判定值標準（個性化標準），指出了工作面來壓的顯現規律，對工作面精準的控制頂板來壓，防止頂板事故起到了顯著的指導作用，實現了綜采工作面煤層開采過程中工作面綜采區域礦壓分析及預警。