近水平综放工作面顶板规律及控制研究

左朝宇

（山西煤炭进出口集团蒲县豹子沟煤业有限公司，山西 临汾 041000 ）

1 概况

豹子沟煤业10101工作面主采10+11号煤层，煤层厚度平均7.03m，含1～5层夹石层，煤层倾角较小，属于近水平煤层，开采工艺为综合机械化放顶煤开采，水文地质条件属中等类型，顶板为厚层的K2石灰岩，致密，坚硬，稳定性好，局部地段由于裂隙发育，顶板较破碎，底板以泥岩或粉砂岩为主，属稳定较好底板。

2 直接顶和老顶垮落规律理论分析

2.1 直接顶初次垮落理论分析

（1）初垮岩层厚度

10101工作面开切眼沿煤层顶板布置，割煤后不断下行至推进30m处到达10#煤层底板（此时煤厚5.3m），开始沿底板割煤。顶煤的厚度是随工作面推进不断增大，而且工作面初次来压之前不放顶煤，冒落的顶煤会遗留在采空区。

开采后直接顶泥质灰岩下部运动空间[1-2]为：

式中：

△1-顶板泥质灰岩下部运动空间，m；

T-顶煤厚度，0～2.5m。

代入参数计算得△1=1.925～2.8m。满足△1＞m1，直接顶泥质灰岩显然会垮落。顶煤和直接顶垮落时，老顶石灰岩下部运动空间为：

式中：

△2-老顶下部运动空间，m；

m1-直接顶厚度，0.68m。

代入参数计算得△2=1.687～2.562m。满足△2＜m2，顶板②显然不会垮落。

综上可知，初垮岩层最大厚度为顶煤和直接顶厚度之和，即MZ=T+m1=3.18m。

（2）直接顶初垮步距和周期垮落步距

根据计算，直接顶为厚度0.68m的泥质灰岩，按简支梁计算：

式中：

LOZ-直接顶初次断裂步距，m；

LZ-直接顶周期垮落步距，m；

MZ-直接顶厚度，m；

[σt]-直接顶抗拉强度，MPa；

γZ-直接顶岩层容重，取25kN/m3。

代入参数计算得LOZ=8.1m和LZ=3.3m，即直接顶初次断裂步距为8.1m和周期垮落步距为3.3m。

2.2 老顶来压规律理论分析

老顶初次来压步距计算公式：

式中：

C0-老顶初次来压步距，m；

Ms-支托层厚度，Ms=m2=11.44m；

[σt]-支托层抗拉强度，取3.93～4.24MPa；

γ-顶板岩层容重，取25kN/m3。

代入参数计算得C0=52.8～54.8m。

（2）老顶初次来压期间，工作面顶板下沉量

广东海事局局长陈毕伍表示，广东毗邻东南亚，水网发达，人们水上日常出行、旅游等活动频繁，广东珠江口海域和琼州海峡涉客渡运近10年来保持零事故、零死亡纪录，得益于广东致力建立安全、便捷、高效、绿色的现代综合交通运输体系和共商共建共享共治的安全社会治理体系。愿与各国分享“广东经验”，共同为亚太地区的渡运安全和人民群众安全出行贡献力量。

老顶初次来压时，工作面最大顶板下沉量为：

式中：

△h0A-老顶初次来压时，工作面最大顶板下沉量，mm；

SA-老顶尾部下沉量，根据计算为1489mm。

代入参数计算得△h0A=299mm。

3 矿压规律实测

3.1 采空区垮落情况实测

10月23日～11月9日对10101综放工作面采空区进行观测，10月23日冒落了1.5m左右的矸石（主要受机头处F9断层的影响），自11月1日起，工作面开始陆续有部分顶板发生冒落，此时工作面推进度约为25.5m，单次冒落高度最大约为2m，累计冒落高度（包含冒落顶煤）约为4.5～5m。根据顶板冒落后堆积高度，可推算出实际垮落岩层厚度，代入公式可得实际垮落岩层厚度3.46～3.85m，平均3.65m。

3.2 老顶初次来压

工作面顶煤目前随采随垮，而且没有理论意义上的直接顶[3]，部分基本顶转化为直接顶后垮落强度也不大，因此如果工作面出现面积较大的矿山压力显现，很有可能是发生了基本顶初次来压[4-5]。

通过10101工作面矿山压力监测系统统计得到初采阶段矿压数据，显示11月9日至11月13日工作面出现较大的矿山压力显现，推断是工作面老顶初次来压。分别在工作面上、中、下三部分，选择具有代表性的 8个测点即 18#、22#、46#、50#、54#、58#、86#和90#支架，绘出支架工作阻力曲线图如图1所示，统计得到8个支架顶板初次来压步距见表1。

表1 初次来压步距统计

图1 部分支架工作阻力曲线图

由图1和表1统计数据可知：顶板初次来压步距均值为43.36m，持续压力显现步距均值为3.74m，初次来压压力均值为5819kN，与理论计算的来压步距均值相差不大；顶板初次来压步距离散性小，持续压力显现步距离散性较大，机头和工作面中部持续压力显现步距较大；初次来压压力统计值22#、46#支架离散性较大。

4 周期来压参数预计及顶板控制方案

4.1 周期来压参数预计

根据初次来压步距和来压强度确定基本顶初次运动具体参数，但由于顶板部分岩层受多因素影响转化为直接顶提前垮落。但在周期来压过程中该部分垮落岩层是继续以直接顶的形式垮落，还是和其余部分一起运动，存在着不确定性。所以在周期来压预计过程中对两种情况分别进行分析，即一种是基本顶部分岩层继续以直接顶形式垮落，另一种是基本顶部分岩层不再垮落。

根据计算公式可得第一种情况和第二种情况基本顶周期来压步距分别为19.1～19.9m和21.6～22.4m，基本顶周期来压强度分别为0.66～0.68MPa和 0.78～0.81MPa，工作面顶板下沉量分别为913mm和960mm。

4.2 顶板控制方案

根据周期来压参数预计，提出控制顶板方案：

（1）控制放煤量。因为少放煤甚至不放煤，在采空区内遗留顶煤支撑顶板, 当预留顶煤全部充填采空区时，工作面顶板下沉量可控制在439mm，大大改善顶板控制状态。

（2）合理留置采空区冒落顶煤时间。采空区垫层最有利的留置位置取决于基本顶来压步距和来压时顶板断裂线相对煤壁位置，采空区垫层应留置在顶板断裂位置下方，考虑到来压过程中顶板的回转沉降，该部位垫层和顶板之间的距离最小，即便垫层不能充填采空区高度，也能保证顶板来压过程中沉降值最小，工作面受到的动压冲击也最小。假定来压结束时工作面顶板断裂线位于煤壁上部附近，则垫层最有利的位置应在该断裂线正下方，即应该在顶板来压期间停止工作面放煤，此后正常放煤至下一次顶板来压。

（3）合理确定煤垛步距。通过计算可知，5个割煤步距后的顶煤不放出，全部留置在采空区内，冒落顶煤堆积成煤垛形态为一个四边形。因此，保证采空区最低充填要求的不放煤距离为5个割煤步距之和，约4m。

5 结语

针对豹子沟煤业首采综放工作面矿压规律不明确等问题，采用理论分析和现场实测得出直接顶和老顶的垮落参数，同时对工作面的周期来压参数进行预计，提出了合理顶板控制方案，为相似地质工作面矿压规律研究提供了借鉴作用。