多层采空区下厚层坚硬顶板综采面矿压规律研究

刘锦荣，周　玉，杜晓武，席朝东，谢生荣

(1.大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037003；2.中国矿业大学(北京)，北京 100083)

多层采空区下厚层坚硬顶板综采面矿压规律研究

刘锦荣1，周玉2，杜晓武2，席朝东2，谢生荣2

(1.大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037003；2.中国矿业大学(北京)，北京 100083)

摘要：为了掌握大同矿区多采空区下厚层坚硬顶板综采面开采的矿压显现规律，以晋华宫矿11#煤层8707综采面为研究对象，利用综采记录仪数据分析系统监测工作面推进过程中综采支架液压值信息，同时对综采面现场片帮、冒顶情况进行详细观测。综合分析现场观测数据，得出其矿压显现规律：①周期来压步距基本处于18～26m之间，均值为21.93m；②工作面周期来压平均动载系数为1.23，来压不剧烈；③片深及冒高累积量变化趋势沿工作面倾向呈“M”型；④支架工作阻力沿工作面倾向大体呈“M”型分布，前柱液压普遍大于后柱；⑤综采面采用ZZ6000/17/37B型支撑掩护式液压支架，基本能满足实际生产要求。研究成果对于减少工作面冒漏顶事故，保障安全高效开采具有重要作用。

关键词：矿压观测；数据分析；周期来压；片帮冒顶

根据相关统计资料，我国50%以上的矿区具有坚硬顶板煤层赋存，如大同矿区、山西阳方口矿区、晋城矿区等[1]，坚硬顶板条件下的煤层开采的矿压与控制一直是研究热点[2-6]。晋华宫矿位于山西省大同市西12.5km，现阶段主要开采区域涉及煤层为7-3#、7-4#、11#、12#煤，层间距自上至下依次为8.4m、38.8m、19.9m。11#煤层8707综采面上部为7-3#和7-4#煤层采空区，7-4#和11#煤层间赋存有一层19m厚的中砂岩。由于11#煤层上部7-3#煤、7-4#煤采空区，当11#煤层开采时上覆岩层多次破断垮落造成顶板应力环境复杂，同时顶板岩层受到上部煤层的采动影响，层间坚硬厚层砂岩劣化，基本顶承载能力降低，这均会影响11#煤层的矿压显现规律。论文针对晋华宫特殊地质条件，采用工作面综采记录仪数据分析系统[7-8]对矿压显现规律监测追踪，并跟随工作面的推进实时观测记录采煤工作面液压支架支护状态、周期来压步距和端面冒顶详细数据，进而进行分析对比，研究晋华宫矿11#煤8707综采面采场矿压显现规律，并为类似条件下综采面矿压规律研究提供借鉴。

111#煤层8707综采工作面概况

晋华宫矿11#煤层8707工作面倾斜长度为159m，采用ZZ6000/17/37B四柱支撑掩护式液压支架。煤层厚度2.2～3.5m，平均厚度为3.3m，f=1～2.5，平均倾角为3°，属于近水平煤层。工作面直接顶为厚度较薄的炭泥岩、粗砂岩、细砂岩和粉砂岩组成，总厚度约为11.8m，节理裂隙比较发育；基本顶为厚度较大约为19.0m的中细砂岩、砂岩强度大整体性强，属坚硬顶板[9-10]。柱状图见图1。

2采场支架矿压观测方案及实施方法

本研究利用山东省尤洛卡自动化装备股份有限公司生产的综采记录仪数据分析系统实时记录晋华宫矿11#煤层8707综采工作面液压支架顶板压力显现信息，使用数据处理软件Origin9.0重点分析综采液压支架原始循环阻力(末阻力)数据，同时随工作面推进现场采集工作面端面冒漏顶数据，来分析工作面周期来压步距、矿山压力显现规律、端面冒漏顶等综合矿压特征。

2.1监测站布置

为了使测站的布置具有代表性，能够反应出整个工作面的情况，矿压观测测站的布置应保证均匀布置在整个工作面，在支架处详细观测综采面支架的工作状况和矿压显现情况。因此，结合11#煤8707面综采工作面实际地质赋存和生产状况，在工

作面重点布置6个监测站即6个分机，分别设在17#、28#、39#、50#、69#和88#支架处，见图2。

图1　晋华宫矿柱状图

图2　8707综采面矿压观测测站布置图

2.2矿压观测指标、仪器及实施方法

在工作面推进过程中，记录推进距离，利用综采记录仪及支架上支架液压信息数显表，采集测站处支架液压及典型来压区段整个工作面液压信息。观测内容及方法见表1。

表1　矿压观测指标、目的及实施方法和仪器

3支架液压信息特征及端面片冒规律

3.1支架液压值分析

沿工作面倾斜方向8707综采面共110架支架，自工作面推进至174m到推进至414m，对8707综采工作面6个分机(监测站)液压信息和端面片帮、冒顶情况进行了观测和详细记录，并根据所采集的数据绘制随工作面推进各测站矿压规律变化的特征曲线，见图3。

由表2分析可得如下信息。①工作面周期来压步距最小为14.21m，最大周期来压步距为30.89m，大部分周期来压步距都处在18～26m之间。老顶周期来压平均为10.5次，周期来压步距平均值为21.93m。②工作面10次周期来压的平均动载系数为1.23，除第一次周期来压动载系数达到1.40，其他各次来压动载系数相对均匀稳定，这可能与第一次周期来压时顶板条件差不利于砌体梁稳定有关，

图3　测站液压信息及片帮冒顶变化特征

分机来压步距周期1#2#3#4#5#6#平均步距/动载系数124.4518.5218.8814.2327.0719.8720.50/1.40218.5619.9716.3229.8617.5630.0122.05/1.27318.2521.4221.8124.2527.8918.8622.08/1.21419.3218.3614.2121.0821.5824.7919.89/1.23524.7321.8315.8227.1228.6914.5922.13/1.20630.8915.7530.2518.7521.8321.7323.20/1.23726.2119.2921.3524.4117.7618.8221.31/1.21814.3127.4124.6118.2424.7124.7922.35/1.14917.5627.9225.5721.4521.3327.7523.60/1.231019.3221.2118.5526.3523.5128.2322.86/1.17平均21.1220.6621.0822.5723.1922.9421.93/1.23

整体来看工作面周期来压并不强烈。③支架立柱压强基本在其额定压强 37MPa之下。工作面支架基本处于额定工作阻力状态，极少数支架立柱压强超出了其额定压强37MPa，最高达到40.9MPa。

由以上结果可以看出晋华宫11#煤层8707工作面来压并不剧烈，未出现典型的坚硬顶板事故，分析其原因如下：①基本顶受到7-4#煤层的采动影响发生损伤破坏，有效作用厚度降低，断裂后形成的关键块长度变小，且仍能形成稳定的“砌体梁”结构；②直接顶厚度较大，一方面减小了关键块最大回转量，降低了关键块失稳的几率，另一方面起到“垫层”作用吸收了部分关键块回转时的能量，降低了关键块回转对工作面和支架产生的压力。

3.2端面片帮冒顶分析

从整体来看，8707综采面片帮较为常见，冒顶在来压状态下时有发生，工作面推进过程中矿压显现较为平稳。在观测期间，8707综采面沿倾斜方向片深及冒高总量的变化情况见图4。

图4　工作面片深与冒高累积量变化特征

由图4可知如下信息。①工作面不同区域的片帮冒顶程度不同，片深及冒高累积量沿工作面倾向呈“M”型变化趋势，即工作面两端头及中间部位片帮冒缓和，而位于上半工作面及下半工作面中部片冒较为严重。②工作面来压时，片帮及冒顶一般伴随产生，且两者显现强度相似；工作面片帮较为频繁，小型冒顶也较为常见，多为局部伪顶软岩破碎冒漏。从工作面推进方向上看，回采工作面各区域的片帮冒顶等矿压显现程度和支架液压值的变化呈正相关，存在一定的周期性。

3.3工作面支架前后柱液压信息对比分析

为分析整个工作面立柱液压信息，绘制工作面前后柱液压信息曲线见图5、图6，并对比分析，总结8707综采面液压值规律，为评价支架—围岩的适应性提供基础数据。

图5　工作面支架前柱液压信息分布图

图6　工作面支架后柱液压信息分布图

由图5、图6可以得出如下信息。①工作面支架前柱液压值绝大部分处于15～35MPa之间，以20～30MPa区间最为密集；工作面支架后柱液压值绝大部分处于10～30MPa之间，以15～25MPa区间最为密集。②在工作面来压期间整个工作面立柱液压出现持续偏高，未来压时整个工作面立柱液压分布普遍较低，且中部液压分布较上部和下部面广，来压时液压值出现较高的液压值的分布范围较大，而未来压时只出现了较为离散的高液压值，前柱压力普遍大于后柱。③支架工作阻力沿工作面倾向大体呈“M”型分布，支架工作阻力的峰值出现在工作面上部20～40架和下部70～90架之间，这可能与基本顶受损形成特殊结构有关。

4支架适应性评价

晋华宫矿11#煤层8707综采工作面采用ZZ6000/17/37B型四柱支撑掩护式液压支架，支架的初撑力为5105kN(31.5MPa)，额定工作阻力为6000kN(37MPa)。为研究液压支架对顶板的适应性，需分析整个工作面液压支架的工作阻力分布规律(图7)。

如图7所示：支架前柱工作阻力分布在25～37MPa之间的占47.64%，分布在20～25MPa之间的占17.56%，低于20MPa的占27.12%，而超过支架额定工作阻力37MPa的仅占7.68%；支架后柱工作阻力分布在20～37MPa之间的占45.64%，低于20MPa占48.68%，而超过支架额定工作阻力37MPa的仅占5.68%。

图7　工作面工作阻力频率分布图

综上分析可知：支架前柱实测工作阻力较大，普遍大于后柱，前后柱均有超过额定工作阻力现象发生，但频率较低；现场实测发现工作阻力超出额定工作阻力现象主要发生在来压期间；存在部分工作面支架初撑力较低现象，分析认为是支架液压系统发生泄漏引起，整个工作面支架工作阻力绝大部分都能够满足正常要求。总体来看，多数支架发挥较为充分，稍有富余，工作面现采用的ZZ6000/17/37B基本能够满足生产需求。考虑到支架在实际使用过程中由于制造存在缺陷、操作不当等原因，支架很难达到额定工作阻力，若支架在现场能够正常使用，则工作面的合理工作阻力即可定为支架的额定工作阻力值，8707合理工作阻力即为6000kN。

5结论

1)晋华宫多采空区坚硬厚层顶板工作面10次周期来压的平均来压动载系数为1.23，来压不强烈，主要是由于直接顶厚度较大、基本顶损伤且能形成稳定砌体梁结构。

2)工作面周期来压期间由于直接顶节理裂隙比较发育，易发生漏冒顶事故，直接顶稳定性成为来压期间的控制重点，建议在周期来压期间加强支

架液压故障检测、及时移架减小端面距、擦顶带压移架等，在遇到地质构造等围岩破碎区还应采取铺设金属网、注浆等措施以保证工作面直接顶的稳定性。

3)在整个观测期间支架工作阻力主要在10～37MPa之间，偶有安全阀开启，支架工作阻力有一定的富余，利用相对较为充分，工作面采用ZZ6000/17/37B型支撑掩护式液压支架满足开采安全的要求，建议其支架合理工作阻力为6000kN。

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Analysis and study of mine pressure regularity for hard thick roof mechanized face in several gobs

LIUJin-rong1，ZHOUYu2，DUXiao-wu2，XIChao-dong2，XIESheng-rong2

(1.DatongCoalMineGroupCompany，Datong037003，China；2.ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing)，Beijing100083 ，China)

Abstract:In order to understand the pressure regularity for hard thick roof mechanized face in several gobs in Datong mining area，taking the 8707 fully mechanized working face in the 11# coal of Jinhuagong Coal Mine as the research object and using the data analysis system of fully mechanized mining data recorder to monitor the hydraulic pressure message of the support in face advance.At the same time，observing the field data of the spalling and roof falling in the fully mechanized working face in detail.Comprehensively analyzed the observation data and found the law of mine pressure as follows，① the most step distance of periodic pressure are between 18～26 meters，the mean value is 21.93m；② the mean dynamic factor of the mechanized face is 1.23，the pressure is not intensity；③ the tendency of rib spalling and caving along the orientation of the working face is "M" trend；④ the distribution of support pressure is “M” along the tendency in working face and front column hydraulic pressure is generally greater than the rear column；⑤ in mechanized face，using the ZZ6000/17/37B hydraulic support can meet the requirements.The results of this study have an important effect on reducing the risk of leakage of the working face，accelerating the speed of the working face and ensuring the safe and efficient mining.

Key words：mine pressure observation；data analysis；periodic pressure；spalling and roof falling

收稿日期：2015-07-10

基金项目：三晋学者支持计划专项经费资助项目(2050205)；煤炭资源与安全开采国家重点实验室大学生科技创新计划基金项目(SKLCRSM14CXJH04)

作者简介：刘锦荣(1971-)，男，山西大同人，硕士，高级工程师， 从事生产技术研发及管理工作。

中图分类号：TD323

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)04-0077-05