大采高孤岛综采工作面矿压显现实测研究

臧立岩

（煤炭工业太原设计研究院矿井所，山西 太原030001）

受到地质条件、回采工艺、采场布置等因素的限制，某些矿井会因跳采而留下三面均为为采空区的孤岛工作面。孤岛工作面与普通工作面相比，其顶板往往较破碎，顶板来压步距短，来压强度高，煤壁前方支承应力明显、冲击倾向性较强等特点。孤岛工作面的开采难度较普通工作面大幅度提升〔1－3〕。研究和掌握孤岛工作面矿压显现特点，对于指导孤岛工作面开采，提高资源回收率和安全生产水平，增加矿井综合效益具有重要的意义，故孤岛工作面矿压显现研究一直是煤矿开采领域的研究重点〔4〕。李家庄矿3302孤岛工作面煤层平均厚度为3.5m，顶板围岩条件较差，在回采过程中两回采顺槽压力显著，开采难度较大。为了及时掌握该工作面的矿压显现特点，指导该工作面安全回采，特进行了为期3个月的现场实测，采集了大量的现场数据，得出了3302孤岛工作面来压强度、来压步距、煤壁片帮规律等矿压显现规律，此项研究为指导该工作面的正常开采奠定了理论基础，同时也为类似地质条件下的孤岛工作面开采提供了一定的实践经验。

1 工作面概况

3302工作面位于李家庄矿矿井东翼三采区，其北部和南部分别为已经回采结束的3301工作面和3303工作面，西部为轨道下山、回风下山和皮带下山3条下山巷道，东部为二采区3202和3203工作面采空区。该工作面属于孤岛工作面开采。3302工作面所采煤层为山西组3＃煤层，煤层埋深为305～325m，平均埋深为312m；煤层倾角为9°～15°，平均倾角为8°；煤层厚度为2.8～4.2m，平均为3.5m；属于稳定可采近水平厚煤层。工作面按走向布置，其倾斜长度为132m，走向长度为354m，共布置88台ZY－4000／17／37型掩护式液压支架进行采场支护，支架额定初撑力为3090kN。工作面直接顶为厚6.5～8.4m的炭质泥岩－泥岩，观测发现直接顶裂隙及其发育且较为软弱；基本顶为厚4.2～8.6m的砂质泥岩－粗粒砂岩－粉砂岩，粗粒砂岩和粉砂岩具有很高的致密性，保证了基本顶的强度；直接底为厚1.3～2.5m的炭质泥岩－泥岩，岩层水理作用明显，遇水易膨胀；基本底为厚3.2～4.1m的粗粒砂岩，致密性较好。工作面采用“U”型通风方式。风、机两巷留设煤柱宽度分别为15m和9m，风、机两巷断面（宽×高）均为4200mm×3700mm，两巷支护方式均为“锚网索钢带”联合支护，顶板锚杆间排距为0.8m×0.85m，两帮锚杆间排距为0.8m×0.8m，顶板和两帮锚索间排距均为1.6m×1.6m。

2 矿压观测方案的确定

2.1 观测内容

（1）支架载荷：支架载荷变化是工作面采场顶板压力变化的直接反映。通过对支架载荷变化规律的掌握可以得知顶板来压强度、来压步距、来压持续时间等矿压显现特点，故以支架为研究对象进行支架工作阻力变化情况进行实测。

（2）宏观特点：煤壁片帮、支架活柱下缩、顶板冒漏等情况为采场来压的直接表现形式，掌握这些来压现象对于完善工作面矿压规律，指导工作面开采具有重要意义。

2.2 观测方案

为了掌握工作面来压情况，将工作面均匀划分为上、中、下三个测区，每个测区布置两条侧线，测线对应的支架分别为13＃、14＃、44＃、45＃、74＃和75＃。同时在对应的支架上安装YHY60型矿用本质安全型压力监测仪，该压力监测仪可以实时记录支架工作变化情况，并可通过数据采集器或者传输线将监测所得数据传输到计算机，观测方案布置见图1。

3 矿压观测结果分析

图1 3302孤岛工作面矿压观测方案布置示意

3.1 顶板垮落特征

（1）直接顶垮落特征：从工作面开切眼开始推进，液压支架工作阻力变化较小，煤壁片帮程度较轻，且均匀。当工作面推至距离开切眼12.5m时，工作面中部直接顶首先开始垮落；当推至14.8m时，两端直接顶逐渐开始跨落；当推进距离开切眼16m时，直接顶全部垮落。由压力监测仪所得数据，直接顶破断期间，支架平均工作阻力为2858kN，最大工作阻力为3080kN，增载系数为1.23。在工作面直接顶垮落期间，煤壁片帮明显加剧，架间煤岩尘量明显增多，且支架顶梁上方有顶板破断声。

（2）基本顶垮落特征：工作面直接顶垮落后，随着工作面的不断推进，当推至距开切眼28.7m时工作面中部基本顶开始垮落；当推至距开切眼32m时基本顶基本垮落完毕。由此可知，3302工作面初次垮落步距为28.7～32 m。在基本顶垮落期间，支架工作阻力明显增大，且载荷变大呈现出一定的持续性，说明工作面处于来压期间。由于压力的存在，煤壁有片帮发生，变为连续性的不规则破坏，同时，部分支架前梁头有小范围顶板冒漏现象。由支架工作阻力实测数据可知，来压期间支架平均工作阻力为3465 kN，来压前为2654kN，增载系数为1.3。随着工作面的进一步推进，支架工作阻力出现了周期性变化，其中在距离开切眼40m、52m、64m、73m、84m等位置处出现工作阻力峰值点，由此判断在此位置出现顶板来压。3302孤岛工作面周期来压特征见表1。

表1 3302孤岛工作面前五次周期来压顶板压力特征

3.2 支架工作阻力特征分析

表2为压力监测仪对采场支架记录和采集数据的分析结果。由表2可知，液压支架平均载荷为2543～2754 kN，平均载荷为2627.6kN，约为额定工作阻力的65.7%；最大载荷为3985～4096kN，平均为4038.6kN，约为额定工作阻力的100.9%；初撑力为1724～1802kN，平均为1763.3kN，不到额定初撑力的60%。分析数据得出，实际工作面初撑力相对较低，整个支架载荷也不高，通过现场观测和分析发现，这是由于在较短的时间内进行了升架，及时进行了有效支撑。

表2 3302孤岛工作面液压支架实际工作载荷分析

通过对矿山压力监测仪采集的数据和支架载荷的分布规律进行研究分析，可以得出液压支架工作阻力主要分布在2000～3500kN范围内，约占统计循环数的75%；分布在0～1000kN范围内的工作阻力约占统计循环数的3.5%；而在1000～2000kN的区间范围内的工作阻力占统计循环数的12.4%；还有一部分占统计循环数的8.3%，其主要分布在3500～4000kN范围；而最终超出额定工作阻力的约占统计循环数的0.8%。综上可以得出，大部分支架工作阻力在要求范围以内，可以满足工作面对支架的要求。

3.3 宏观观测

通过现场宏观观测，掌握了3302工作面煤壁片帮、架后悬顶、支架活柱下缩量等特点。该工作面在正常回采期间，煤壁较完整，但在顶板来压时煤壁出现连续不同程度的片帮。工作面在推进过程中直接顶基本随采随冒，基本顶垮落呈现出周期性。工作面支架在来压与非来压期间，支架活柱下缩量变化并不明显，85%以上的支架下缩在0～6mm之间。工作面两顺槽在回采期间变形较明显，距工作面煤壁8～12m范围内巷道围岩变形更为剧烈，尤其是底臌量可达45～70mm，治理底臌是保证工作面安全开采的重点。

3 结语

通过对3302孤岛工作面矿压实测：

1）工作面直接顶垮落步距为16m，来压期间增载系数为1.23；基本顶初次垮落步距为32m，增载系数为1.3；工作面周期来压步距为8～12m，平均为10.4m，来压时支架平均载荷为3755kN，平均增载系数为1.42。由此可知，孤岛工作面较普通工作面来压步距偏短，来压强度偏大。

2）工作面支架最大载荷和平均载荷为4038.6kN和2627.6kN，分别为额定工作阻力的100.9%和65.7%；平均初撑力为1763.3kN，占额定初撑力的57.1%。支架载荷主要集中在2000～3500kN的范围，大约占统计循环数的3／4，而超过额定工作阻力的仅占0.8%，支架可以有效对工作面进行支撑，但也要加强各方面的管理。

3）煤壁片帮和底臌对工作面开采有重要影响，要结合工作面实际情况采取相应的措施对煤壁和底板进行控制。

〔1〕吉敦云.孤岛工作面矿压显现实测规律研究〔J〕.能源与节能，2014，（10）：142－143.

〔2〕阴宁宝，杨锐明.“孤岛”综放工作面矿压显现与控制〔J〕.煤，2005，（1）：3－05.

〔3〕李洪彪.赵庄矿松软煤层大采高工作面矿压规律及围岩控制研究〔D〕.太原：太原理工大学，2012.

〔4〕赵小屯，连国明.超长工作面矿压显现规律研究〔J〕.能源技术与管理，2012，（5）：30－31.