大采高综采工作面矿压显现特征分析

井欢庆，李占魁

(1.国投晋城能源投资有限公司，山西晋城 048026;2.安徽理工大学，安徽淮南 232001)

1 工作面概况

淮北许疃矿7229工作面位于82下采区南翼，南到F24断层，西到81采区和82下采区边界(相邻7127工作面已开采)，北到82采区大巷保护煤柱，东到72211工作面(尚未准备)。工作面走向长度为1179 m，倾斜长度137 m;煤层厚度2.5～6.3 m，平均 4.8 m;煤层倾角为 7°～33°，平均为10°;煤层结构复杂，一般夹2到3层薄层状碳质泥岩。煤层特征:黑色，粉未状，块状，玻璃光泽，半亮型煤，内生裂隙较发育。煤层直接顶为泥岩及粉沙岩，其厚度0.95～1.26m，岩性特征为深灰色，块状，含植物化石及粉砂质。煤层老顶为粉砂岩，其厚度11.9～22.48 m，岩性特征细砂或中粒砂岩，灰色为主，部分地段上部发育成互层结构，石英为主。

2 采场围岩稳定性及其控制

2.1 顶板稳定性影响因素

通过对许疃矿7229工作面的围岩进行物理力学试验，确定了煤层属于软煤，在煤质较软的顶板条件下，影响大采高工作面围岩稳定性的因素主要有:顶板的力学性质、支架的工作阻力、端面距、水平支护力等。

2.1.1 顶板的力学性质

顶板的力学性质对大采高工作面顶板的稳定性会受到顶板岩层硬度条件的影响，顶板岩层硬度越大，则顶板越难冒落，对端面顶板的稳定性影响越小。

2.1.2 支架的支护阻力

支架的支护阻力对端面顶板稳定性具有重要影响，在确保其他条件相同的情况下，支架的支护阻力越大，端面顶板的冒落程度则越小。

2.1.3 端面距

对于大采高工作面，当架型选取确定时，在相同的顶板力学性质作用下，无论支架的支护阻力为何值，只要端面距超过某一范围，且端面的顶板下沉量达到允许最大值，则端面的顶板将很难控制，端面顶板处于不稳定状态，这个范围即为极限端面距。只有工作面端面距保持在极限端面距范围内，才能确保端面顶板的稳定。

2.1.4 水平支护力

由于支架的支护阻力较大，导致支架支撑角度对端面稳定性的影响不是很明显，而且在工作面回采过程中也未曾发出过端面顶板冒落的情况。

2.2 大采高支架与围岩关系

1)支架载荷和现行的顶板类别关系不明显。根据我国现行的顶板分类，顶板的支护强度随基本顶的级别增大呈线性增大，这是因为采场来压的强度与顶板岩体结构失稳和来压步距大小直接相关，而对于大采高综采，这一关系不明显。

2)支架初撑力与工作阻力呈线性关系。大采高支架的初撑力及工作阻力曲线为线性关系，它与普通综采的对数关系不同，后者在达到临界初撑力后工作阻力的增长速度变慢，但大采高综采的线性关系则是继续呈线性增长，这一关系显示了其以静载为主的特性，岩体结构的失稳对采场支架无明显影响。

3)采高与支护强度呈正比关系，这一关系为选择支架阻力参数提供了参考依据。

4)支架受力以围岩静载为主，也就是支架基本上承受着大约4倍左右采高的顶板岩重加上其悬顶重力。由于控制的顶板层位高，其上岩体结构失稳的动载对支架本身影响不大，即使有较大的动载荷，也由于有4倍采高厚的破碎岩石作垫层，也很难传递给支架，因此虽然载荷大，但动载系数很小，是以静载即顶板的重力加在支架上的。

3 观测目的、内容

3.1 矿压观测目的

通过对许疃煤矿7229工作面及回采巷道进行矿压观测研究，以取得如下目标:(1)掌握7229大采高工作面矿压显现规律;(2)确定回采巷道围岩变形规律;(3)确定大采高工作面超前影响范围;(4)分析回采巷道原支护方案合理性，为原有支护方案进行优化或重新设计提供可靠依据。

3.2 矿压观测方案

从工作面机头至机尾分别在5架、15架、25架、35架、45架、55架、65架、75架安装 KBJ－60Ⅲ－1数字式压力计，该压力计每隔五分钟记录一次支架的初撑力和工作阻力，能够准确的掌握工作面顶板来压情况;另外在工作面综采支架10架、20架、30架、40架、50架、60架、70架每架安一块压力表，共在工作面布15条测线，每天采集一次，进行日常矿压监控观测，如图1所示。同时观察记录老顶初次垮落和周期垮落情况及步距。

为了掌握7229工作面回采巷道受本工作面回采影响的围岩变形规律，确定工作面回采对巷道围岩变形的影响，需对其进行观测。根据巷道围岩变形观测内容，在两条巷道内分别布置7个观测站，每个测站间隔20 m，采用“十”字布点法对巷道表面移近量进行观测，测站在巷道内的布置参数如图1所示:

图1 测点布置示意图

4 工作面矿压显现特征

4.1 直接顶初次垮落

当随工作面推进至9 m时，直接顶开始逐步分段垮落，30架至60架支架采空区冒落比较充分;直接顶板随采随冒，支架工作阻力逐渐增大，直接顶冒落过后支架后上方形成松动三角区，致使支架后上方受力偏低。

4.2 工作面初次来压显现

自开切眼开始，当老顶悬露达到极限跨距时，老顶断裂形成三铰拱式的平衡，同时发生已破断的岩块回转失稳。此时，工作面支架呈现受力普遍加大现象，即称为老顶的初次来压。由开切眼到初次来压时工作面推进的距离称为老顶的初次来压步距，本面切眼宽度为8 m。

根据近2011年9月5日到10月8日的矿压观测，以工作面推进距离和时间为横坐标，以支架前后柱压力为纵坐标，工作面上部、中部、下部支架实测的压力曲线分别如图:

图2 工作面下部测点压力曲线

根据图2中数据分析，可以看出7229大采高工作面下部初次来压步距约为30.5 m，工作面在非来压期间煤壁及顶板较稳定，而来压时煤壁片帮和顶板破碎较为严重。基本顶来压期间，顶板较破碎，动载系数在1.6左右，使得大采高支架载荷变化较为明显，同时也说明基本顶的失稳对工作面下部影响程度较大。

图3 工作面中部测点压力曲线

根据图3中数据分析，可以看出7229大采高工作面中部初次来压步距约为27.2 m，工作面在非来压期间煤壁及顶板较稳定，来压时煤壁片帮和顶板破碎较为严重。基本顶来压期间，直接顶顶板局部出现裂隙破碎，动载系数在1.5左右，使得大采高支架载荷变化比较明显，同时也说明基本顶的失稳对工作面中部影响较为明显。

图4 工作面上部测点压力曲线

根据图4中数据分析，可以看出7229大采高工作面上部初次来压步距约为28.9 m，工作面在非来压期间煤壁及顶板较稳定，来压时煤壁片帮和顶板破碎不明显。基本顶来压期间，顶板基本正常，动载系数在1.2左右，使得大采高支架载荷变化不易察觉，同时也说明基本顶的失稳对工作面上部影响不明显。

通过对工作面各测区液压支架工作阻力实测曲线的分析，得出工作面老顶初次来压步距如表1所示。从观测的数据分析可知，7229工作面顶板初次来压由于工作面在推进过程中，受到煤层厚度变化、地质构造及推进速度等各种复杂条件的影响，导致来压表现出的主要特征为:工作面上、中、下部各个部位周期来压时间不一致，来压步距也不相同，工作面下部来压相对滞后，且来压强度明显高于中上部。工作面初次来压步距的变化范围在27～31 m，平均28.9 m。

表1 老顶初次来压步距

由此可知，7229工作面老顶初次来压是分段进行的。由于工作面长度为137 m，上、下段推进距离基本一致，工作面各个部位初次来压时间不同步，来压步距也不同。因此，受工作面地质构造及其他因素影响，工作面中上部首先来压，之后向工作面下部开始进行。工作面老顶初来压步距在27～31 m之间变化。

4.3 老顶周期来压显现特征

老顶初次来压后，回采工作面继续推进，砌体梁所形成的结构将发生变化，上覆岩层的结构经历“稳定—失稳—再稳定”的过程，由于结构的失稳导致了工作面顶板的来压，这种的来压随着工作面的推进而呈周期性出现。因此，由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板来压现象称之为工作面顶板的周期来压。

图5 工作面下部测点周期来压曲线图

图6 工作面中部测点周期来压曲线图

从观测的数据分析可知，7229工作面顶板周期来压由于工作面在推进过程中，和初次来压一样由于受到煤层厚度变化、地质构造、支架初撑力管理及推进速度等各种复杂条件的影响，导致周期来压同样表现出的主要特征为:工作面上、中、下部各个部位周期来压时间不一致，来压步距也不相同。从压力运行曲线上看，压力呈现出一定的周期性变化，基本上反映了上覆较坚硬顶板岩层周期性断裂运动对支架压力的影响。工作面老顶周期来压步距如表2所示。

表2 周期来压步距

由此可知，7229工作面老顶周期来压也是分段进行的。工作面老顶周期来压步距在12 m～13 m之间变化，平均来压步距为12.7 m。

4.4 超前影响范围确定

通过对工作面回采巷道围岩移近量连续实测，并对观测数据进行分析整理，研究大采高工作面在回采过程中对回采巷道的超前影响范围。按照在工作面回采巷道观测站的布置，对现场实测围岩移近量数据分析处理，并绘制距工作面不同距离处的围岩移近速度变化曲线图(如图8所示)，确定工作面超前影响范围。

图8 工作面回采巷道两帮围岩移近速度变化

结合图中数据分析可以看出:

1)在工作面前方12～22 m范围内巷道受采动影响剧烈，巷道围岩收敛速度最大;

2)回采巷道两帮围岩表面收敛速度在大采高工作面推进到12 m范围内时达到峰值;

3)工作面在回采过程中对回风巷超前影响范围达到42m，对皮带巷超前影响范围达到48m。

4.5 矿压显现特征分析

受煤层倾角、回采工艺、煤岩赋存条件、顶板动态、支护质量及开采边界条件等因素的影响，大采高工作面沿倾向顶板压力会有所不同。根据实测数据分析得到大采高工作面在周期来压期间和非周期来压期间沿倾向支架载荷分布变化如图9、图10所示。

图9 工作面沿倾向支架载荷分布(周期来压期间)

图10 工作面沿倾向支架载荷分布(非周期来压期间)

从图中可以看出:工作面顶板压力沿倾向由中部向两侧呈下降趋势，工作面下部和中部支架载荷相近，且下部和中部支架载荷比上部略大，但整体上都未能达到支架额定工作阻力，这是由于大采高工作面开采后，在工作面上方形成较大的空间，而直接顶跨落后堆积的矸石刚度较小，且不能对支架后方的采空区充分填充所致。因此须加强对大采高工作面整体顶板控制，提高支架初撑力，增强支架控顶效果。

5 结论

通过对7229工作面综采液压支架载荷的连续观测记录，并结合现场生产实际，得出了工作面老顶初次来压步距和周期来压步距，分析出该工作面矿压显现规律和来压步距，可以为类似大采高工作面的支护设计和日常管理提供可靠的参考资料，具有现实的意义。

1)受工作面地质构造及其他因素影响，工作面中上部首先来压，之后向工作面下部开始进行。工作面初次来压步距的变化范围在27 m～31 m，平均28.9 m。

2)在回采过程中由于顶板断裂受到煤层倾角起伏变化的影响，导致周期来压步距会在一定范围内波动，工作面周期来压步距约为12.7m，动载系数1.43，属周期来压显现强度较小的大采高工作面。

3)在工作面前方12～22 m范围内巷道围岩收敛速度最大，工作面推进到12 m时达到峰值，回风巷和皮带巷收敛速度分别达到50和58 mm/d;工作面回采对顺槽超前影响范围，回风巷为42 m，皮带巷为48 m。

4)7229工作面支架载荷沿倾向由中部向两侧呈下降趋势，整体上都未能达到支架额定工作阻力，应加强支架初撑力的管理，及时调节支架的受力状态，确保支架保持良好的运行状态。

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