含硬煤夹层厚煤层综放面矿压显现规律研究

邢桂新，项 国，徐腾飞，孙英天，颜丙双

(中国矿业大学)

S204综放工作面位于秦源煤矿+520 m水平，该面地质构造简单，煤层呈单斜构造。该面煤层厚度5.0～8.98 m，平均7.8 m，煤层倾角平均为15°，工作面倾斜长175 m，推进长度1 567 m；煤质较软，硬度系数为0.8。在顶煤中含有一定厚度的硬煤夹层，硬度系数为1.2，厚度为0.5～1.5 m。直接顶为灰色、深灰色砂质泥岩，平均厚度为4.13 m；老顶为灰白色含砾粗砂岩，成分主要为石英，高岭土泥质胶结、较坚硬，平均厚度为3.5 m。该工作面采用综合机械化走向长壁综采放顶煤采煤方法，割煤截深0.6 m，割煤高度2.5 m，放煤高度5.3 m，采放比1∶2.12。工作面采用ZF5500 /17 /28HQ型放顶煤支架，初撑力4 321 kN，额定工作阻力5 446 kN。

1 工作面来压特征及支架工作阻力分析

1.1 观测方案

工作面矿压观测设备采用KBJ-60Ⅲ-1综采支架工作阻力连续记录仪。将工作面分为上、中、下3段进行监测，共设3个测站，上部测站安装3个压力传感器，中部测站安装4个压力传感器，下部测站安装3个压力传感器。其中110#、99#、88#支架组成上部测站，77#、66#、55#、44#支架组成中部测站，33#、22#、11#支架组成下部测站。测区布置示意图见图1。

1.2 工作面周期来压

工作面的周期来压步距平均为16.1 m，在综放开采不含硬煤夹层段时，周期来压步距平均为12.3 m。可见由于硬煤夹层的影响，工作面的平均周期来压步距增大。动压系数平均值为1.40。来压步距及强度见表1。3个测站支架工作阻力随工作面推进的变化曲线见图2，来压时平均工作阻力为3 907.5 kN/架，是平时支架载荷2 790 kN/架的1.4倍。平均动压系数略高于全国放顶煤工作面的平均动压系数(1.37)，来压较明显。

图1 测区布置示意图

表1 来压步距及强度

图2 支架工作阻力随工作面推进的变化示意图

从观测的数据分析可知，S204工作面在推进过程中，由于受到煤厚变化、地质构造及推进速度等各种复杂条件的影响，导致周期来压表现出的主要特征为：工作面上、中、下各个部位周期来压时间不一致，来压步距也不相同， 即使在同一测区， 每次周期来压步距也有差异。周期来压步距在一定程度上受顶煤放出率的影响，放煤不充分时，因顶板条件差异和顶煤放出不等，造成顶板垮落不均匀，形成分段来压，差异比较大。

1.3 支架工作阻力测定

本次观测得到了大量的数据，实测数据统计见表2，表3。

表2 支架初撑力实测统计 kN/架

表3 支架循环末阻力实测统计 kN/架

经过数据分析，可得出以下结论：

1) 沿工作面全长支架载荷的分布特点为：工作面两端压力小于中部压力，上端压力小于下端压力。在实际生产过程中也可以发现，煤壁片帮等主要集中在工作面中部及下部区域，表明该区域支架载荷较大，矿压显现比较显著。

2) 实测工作面支架初撑力平均值为2 343 kN/架，为额定初撑力的54.2%，初撑力利用率偏低，尤其工作面上部支架的初撑力平均值为1 951 kN/架，只相当于额定初撑力的45.2% ，可见上部支架的初撑力偏低。支架初撑力是支架作用于顶板的主动力，其大小对于顶板的稳定性控制及顶煤的放落回收具有很大影响。一般在软煤条件下，支架应具有高初撑力、低阻力，使额定工作阻力与初撑力的差值减小，这样有利于对端面顶煤的稳定性控制。S204工作面支架初撑力低的原因，经分析认为有以下几个原因：

a) 升柱时注液时间较短。b) 注液枪注液时有漏液现象。c) 部分立柱管理不力，存在漏液现象。

3) 实测工作面支架循环末阻力平均值分别为3 076 kN/架，相当于额定工作阻力的56.5% ，可见支架的利用率偏低，支架性能没发挥出来。因此，要加强工作面现场管理，提高支架的初撑力，充分发挥支架的工作效率。

4) 实测最大工作阻力平均值为4 721.7 kN/架，相当于额定工作阻力86.7%。实测数据统计中，最大工作阻力为4 991 kN/架，相当于额定工作阻力的91.6%。由此可见，支架是在较富裕工作阻力下运行的，可见工作阻力可以满足工作面实际开采的要求，所选低位放顶煤支架ZF5500/17/28HQ的性能完全能够满足工作面对顶板的支护要求。

2 工作面超前支承压力分布特征

工作面超前支承压力实测采用钻孔应力计，将5台钻孔应力计安装在S204工作面上顺槽距工作面煤壁90 m煤体下帮处。安装深度分别为2 m、4 m、6 m、8 m、10 m。主要区别是深入煤体的范围不同，其目的是测量不同深度范围工作面煤体超前支承压力的变化情况。所测数值均为相对应力变化值。

当工作面推进到应力计安装位置时，5台钻孔应力计均获得了数据，可得出工作面超前支承压力与测点到工作面煤壁距离之间的关系曲线(见图3)。

由图3可知，6 m和10 m的钻孔应力计由于安装或其它原因数据发展趋势不符合实际，可认为数据失效。

由2 m、4 m、8 m深的钻孔应力计可知，随着工作面的推进，钻孔开始变形收缩，数据呈缓慢增加的趋势。

图3 工作面超前支承压力分布图

对于2 m深的钻孔应力计，工作面超前支承压力峰值为4.05 MPa，距离工作面煤壁10.2 m 超前支承压力影响范围大约40 m，显著影响范围有26 m左右。应力集中系数2.01。

对于4 m深的钻孔应力计，工作面超前支承压力峰值为3.87 MPa，超前支承压力峰值距离工作面煤壁7.6 m，超前支承压力影响范围大约35 m，显著影响范围有20 m左右，应力集中系数1.94。

对于8 m深的钻孔应力计，工作面超前支承压力峰值为3.24 MPa，距离工作面煤壁12 m 超前支承压力影响范围大约35 m，显著影响范围有20 m左右。应力集中系数1.78。3个钻孔应力计具体相关数据见表4。

表4 不同深度测点的应力特征值

通过现场实测，工作面超前支承压力峰值点离工作面大约10 m左右，影响范围大约37 m左右，应力集中系数平均1.91。由工作面超前支承压力分布情况来看，尽管工作面可采煤层煤质较软，但是由于煤层结构复杂且顶煤中含有一定厚度的硬煤夹层，相当于顶煤中存在着强度较大的夹矸层，从而显现出较硬煤层的支承压力分布特征，即支承压力的分布范围和峰值点距煤壁的距离并不大。

3 结 论

1) 含硬煤夹层厚煤层综放工作面平均周期来压步距为16.1 m，比不含硬煤段简单结构厚煤层综放开采的平均周期来压步距大，平均动压系数为1.40，略高于全国放顶煤工作面的平均动压系数(1.37)，来压较明显。

2) 工作面支架初撑力偏低，支架利用率偏低，因此，应该加强工作面现场管理，提高支架的初撑力，充分发挥支架的工作效率。

3) 工作面两端支架载荷小于中部支架载荷，上端支架载荷小于下端支架载荷，支架性能完全能够满足支护强度的要求。

4) 含硬煤夹层厚煤层综放开采时，由于顶煤中含有一定厚度的硬煤夹层，相当于顶煤中存在着强度较大的夹矸层，超前支承压力显现出较硬煤层的支承压力分布特征，即支承压力的分布范围和峰值点距煤壁的距离并不大。

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