长度变化对综采工作面矿压显现规律影响研究

2014-11-26王庆雄

中国煤炭 2014年1期

彭涛王庆雄

(中国神华神东煤炭集团公司哈拉沟煤矿，陕西省神木县，719315)

神东煤炭集团哈拉沟煤矿开展了12上101综采工作面450m超长综采面开采试验。已有研究结果表明，超长工作面矿压显现强度大于相同采高的一般长度工作面，即超长工作面矿压显现相对强烈。本文通过对比168m和450m工作面初次来压和周期来压特征，结合覆岩结构特征因素，分析长度变化对综采工作面矿压显现规律的影响。

1 工作面开采条件

12上101工作面位于神东煤炭集团哈拉沟煤矿井田12煤层一盘区，为12煤层首采工作面。该工作面为刀把子面，其中12上101-1工作面长168.6m，推进长度246.7m；12上101-2工作面长450m，推进长度857.5m。煤层平均厚度2.11m，设计采高为2.0m，煤层赋存稳定，煤层倾角为1°～3°。老顶为细砂岩，平均厚度2.98m；直接顶为粉砂岩，平均厚度3.79m。12上101-1工作面安设101架KOPEXS二柱掩护式液压支架进行顶板支护；12上101-2工作面安设238架KOPEXS二柱掩护式液压支架，另外还有平顶山煤机厂生产的24架 ZY9200／12.3／22.3D 液压支架。工作面巷道布置情况如图1所示。

图1 12上101工作面巷道布置图

2 不同长度综采工作面矿压规律对比

12上101工作面开采前后期工作面长度发生了较大变化，对矿压产生一定的影响。因此，需要对12上101-1和12上101-2两个不同长度工作面 (以下用168m和450m工作面代替表示12上101-1和12上101-2工作面)矿压规律进行对比分析研究以指导现场生产实践。为了便于对比分析不同长度工作面矿压规律，选取工作面中部支架矿压特征数据进行分析，以消除边界因素对矿压特征的影响。

2.1 老顶初次来压规律对比

168m工作面推进至距离开切眼39m位置时，老顶初次来压，工作面30＃～70＃支架普遍来压，最大支架工作阻力为56.7MPa，平均工作阻力为32.9MPa，达到35.0MPa以上的占34%。工作面局部片帮明显，最大片帮厚度达0.5m。450m工作面推进至距离12上101-2工作面开切眼41 m位置时，工作面机尾段区域老顶垮落，180＃～230＃支架工作阻力较大，达到40.0～58.5MPa，220＃支架最大工作阻力达到58.5MPa。工作面存在明显的片帮和漏矸现象，并在145＃～180＃支架区域出现淋水。此次来压相对剧烈，来压区间主要靠近机尾段，工作面中部100＃～160＃支架来压不明显。当继续推进6m后，工作面60＃～160＃支架区域有来压现象，来压期间支架工作阻力最大为46.5MPa，平均 31.6MPa。168m 工作面和450m工作面初次来压期间矿压显现特征见表1。

由表1可知，老顶初次来压时，450m超长工作面对应的老顶初次来压步距、来压期间支架工作阻力及动载系数均大于168m工作面，且450m工作面对应老顶初次来压步距、来压支架工作阻力及动载系数变化幅度明显大于168m工作面。

表1 不同长度工作面老顶初次来压期间矿压特征对比表

2.2 周期来压规律对比

168m工作面周期来压期间，工作面40＃支架以后支架工作阻力普遍大于机头段区域，来压期间片帮不明显，只有局部出现片帮。虽然工作面来压相对不是很强烈，但是由于顶板比较破碎，伴随来压出现顶板离层，不易护顶，同时出现淋水，来压后采空区反水，影响正常生产。工作面周期来压期间矿压显现特征见表2。

通过矿压实测表明，450m工作面存在大小周期来压现象。两次小周期来压后间隔24m左右出现大周期来压。当工作面小周期来压时，来压持续长度相对较短，来压强度不大，安全阀开启不多，来压范围主要分布在中部70＃～150＃支架区域；当工作面大周期来压时，来压持续长度较大，来压强度大、范围广，主要集中在50＃～80＃、110＃～140＃和170＃～230＃支架区域。来压期间安全阀开启率较高，支架明显下沉，前梁挑顶效果差，支架低头，护顶困难，煤壁出现片帮，煤壁酥软，顶板稳定差。工作面周期来压期间矿压显现特征见表2。

由表2可知，周期来压期间，450m超长工作面对应的来压步距小于168m工作面，450m工作面对应来压期间支架循环末阻力、动载系数和来压持续长度均大于168m工作面，即450m超长工作面周期来压强度大于168m工作面。

表2 不同长度工作面周期来压期间矿压特征对比表

3 不同长度综采工作面矿压显现差异分析

分析表明，450m超长工作面对应初次来压和周期来压强度大于168m工作面。结合工作面覆岩结构特征和工作面长度因素，分析不同长度工作面矿压特征差异产生的原因。

表3 Q14钻孔覆岩关键层判别

表4 H65钻孔覆岩关键层判别

168m工作面内Q14钻孔和450m工作面内H65钻孔对应覆岩结构特征见表3和表4。

3.1 老顶初次来压特征差异分析

结合普氏平衡拱理论分析，老顶初次来压时，由于老顶在工作面走向方向上首次发生破断，老顶上覆岩层并未充分垮落，工作面上方平衡拱大小主要取决于老顶覆岩结构特征，即只考虑覆岩结构特征变化对工作面来压显现强度的影响。

3.1.1 老顶初次来压步距计算

由于12上101工作面是首采工作面，老顶未受到破坏，比较完整，故计算老顶来压步距时可将老顶看作固定梁，来压步距采用下式计算:

式中:L0——老顶初次来压步距，m；

H—— 老顶的厚度，m；

σ拉——老顶抗拉强度，MPa；

q—— 单位长度老顶的载荷，kN。

结合表3和表4可知，168m工作面内老顶的厚度为8.2m，抗拉强度为3.95MPa，容重为2.3×103kg／m3，单位长度老顶的载荷为3.3×105kN。450m工作面内老顶的厚度为8.84m，抗拉强度为4.84MPa，容重为2.3×103kg／m3，单位长度老顶的载荷为3.56×105kN。

将两个工作面对应的各参数值代入式 (1)，得出168m工作面老顶初次来压步距为40.12m，450m工作面老顶初次来压步距为46.11m。显然，450m工作面对应老顶初次来压步距大于168m工作面。

3.1.2 老顶初次来压计算

老顶初次来压时，控制顶板的关键在于当靠煤壁处老顶断裂线刚露出煤壁时，支架的工作阻力能支撑住垮落带岩层的重量。这时需要的支架工作阻力按下式计算:

式中

:P——支架工作阻力，kN；

Llxc——老顶初次来压步距，m，根据实测情况取值；

La——每架支架所控制的工作面长度，取1.75m／架；

γ——垮落带直接顶岩层平均体积力，取23000kN／m3；

h——垮落带直接顶厚度，168m工作面对应值为6.13m，450m工作面对应值为5.8m；

LZ′——直接顶岩梁长度，取6.14m；

n——垮落带最上分层数，取3；

γli——垮落带中第i分层老顶及其附加岩层的平均体积力，取23000kN／m3；

hli——垮落带中第i分层老顶及其附加岩层的厚度，168m工作面对应值为8.2m，450m工作面对应值为8.84m；

α——煤层倾角，取3°；

K——安全系数，取1.1；

——考虑立柱不垂直顶梁以及掩护梁上有载荷的系数，支撑式为100%；支掩式为85%～90%；短顶梁掩护式为60%。

将168m工作面和450m工作面具体支护参数值代入式 (2)计算得出168m工作面初次来压期间支护所需工作阻力为8180kN，450m工作面初次来压期间支护所需工作阻力为9159kN。说明初次来压期间，450m超长工作面来压强度更加剧烈。同时，由于非来压期间支架工作阻力基本一致，而来压期间450m工作面来压强度更大，所以对应动载系数也更大。

3.2 老顶周期来压特征差异分析

根据已有研究表明，工作面长度增加一定程度上会导致上覆岩层垮落带高度增加，即周期来压期间覆岩结构特征和工作面长度因素都会影响来压显现强度。

3.2.1 老顶周期来压步距计算

先分析覆岩结构特征因素对来压显现强度的影响。老顶周期来压期间，来压步距计算:

式 (3)中参数值同式 (1)，将各参数值代入式 (3)，得出168m工作面老顶周期来压步距为16.38m，450m工作面老顶周期来压步距为18.82m。显然，450m工作面对应老顶周期来压步距大于168m工作面。

再分析工作面长度因素对老顶周期来压特征差异的影响。从覆岩结构特征分析，450m工作面周期来压步距大于168m工作面，但是对于超长工作面，由于工作面长度增加，导致推进速度的下降，使得老顶有充足的时间进行垮落，从而导致周期来压步距的减小。矿压实测结果表明，450m工作面周期来压步距小于168m工作面，矿压实测结果否定了前面计算式算出的结果，因此，长度因素对周期来压步距影响明显大于覆岩结构特征的影响 (理论计算结果和实测结果对比是为了说明长度因素对周期来压步距的影响大于覆岩结构特征的影响)。

3.2.2 老顶周期来压计算

周期来压期间支架所需的工作阻力可根据式(2)进行计算，非来压期间的支架载荷可以根据覆岩结构进行计算。分析表明，450m工作面来压强度大于168m工作面。

按照普式平衡拱理论在一定跨度空间之上 (工作面长度)的顶板岩层将会发生拱形冒落，其高度既与跨度有关，又与岩石的普式硬度指数有关，即: