某矿采空区下近距离特厚煤层综放工作面矿压显现规律研究

戴文祥 乔 庆 杨富逍

(1.中煤大同能源有限责任公司；2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院)

随着我国机械化装备水平的提高，发展出了适用于特厚煤层开采的大采高综采放顶煤技术[1-2]。我国中西部许多矿井赋存着特厚煤层，而当特厚煤层上方覆岩为近距离采空区时，受上方采动影响，下方煤岩体裂隙增多，完整性遭到一定程度破坏；采空区内垮落岩块不均匀，部分区域应力集中，可能造成工作面支架受力不均，工作面顶板控制困难。因此，采空区下近距离特厚煤层综放矿压显现规律是一个重要的课题。

长期以来，国内外学者对特厚煤层的开采理论和技术进行了许多研究，取得了许多研究成果。刘宝珠等[3]采用现场矿压观测和数值模拟对唐山矿特厚煤层综放工作面矿压显现规律进行了分析研究。于斌[4]研究了石炭系特厚煤层综放工作面强矿压显现机理，提出了工作面强矿压的控制方法与技术途径。范苑[5]运用理论分析、力学实验、现场观测、数值模拟等研究手段，对近距离特厚煤层的回采工艺、采区巷道布置以及煤柱留设等关键问题进行了研究。张勋[6]采用现场调研、理论分析、相似模拟实验、现场观测等研究方法，分别对侏罗系近距离煤层群、石炭系特厚煤层开采工作面矿压显现规律及控制技术进行研究。庞成等[7]以某煤矿15 m特厚煤层为实例，结合离散元法数值模拟和现场实测的方法对首采工作面矿压规律进行研究。刘润民等[8]通过长期现场实测，结合理论分析和工作面现场情况，得出了特厚煤层综放工作面矿压显现规律。刘志丹[9]通过采用现场调研、矿压实测、实验室力学试验、理论分析、计算机数值模拟等研究方法，进行了极近距离煤层采空区下综放面矿压显现规律及控制研究。李晨阳[10]通过理论分析、实验室试验以及数值模拟等研究方法，对采空区下近距离煤层综放面压架机理及控制进行了研究。李晓坡[11]采用现场实测、理论分析和数值模拟相结合的手段，运用毕肖普(Bishop)条分法基本原理，对采空区下特厚煤层大采高综放工作面煤壁稳定性及控制进行了研究。曹金钟等[12]综合运用多种现场实测的方法，对采空区下特厚煤层综放开采回采巷道矿压显现规律实测分析。

以往的研究大多是针对近距离厚煤层综采及单一厚煤层综放工作面矿压显现规律，对于采空区下近距离特厚煤层综放开采的研究较少，研究采空区下近距离特厚煤层综放开采矿压显现规律对于指导类似地质条件煤层开采具有重要意义。

1 工作面概况

中煤塔山矿2#煤层已采空，现在开采30501工作面，工作面层位关系见图1。30501工作面位于3-5#煤层，上距2#煤层1.55～6.67 m，平均为4.35 m，煤层厚15.72～26.77 m，平均为17.93 m，倾角为0°～5°，埋深约400 m，结构极复杂，夹矸一般为5～11层以上，岩性多为高岭质泥岩或炭质泥岩。伪顶岩性为泥岩、砂质泥岩，厚0.2～0.5 m；直接顶岩性为高岭质泥岩、炭质泥岩，厚3～5 m；基本顶岩性为中粗砂岩，厚6～15 m；底板岩性为砂质泥岩、泥岩，厚0.8～3.2 m。工作面倾斜长180 m，走向长1 850 m，采用放顶煤采煤方法，采高为4 m,放煤步距为0.8 m，双滚筒机双向割煤，端部斜切进刀，往返一次割2刀；工作面采用ZF15000/25/45D型大采高放顶煤液压支架、ZFG13000/27.5/42D型过渡液压支架和ZTZ20000/25/45型端头支架。

图1 工作面布置

2 矿压观测方案

由于30501工作面全部位于10201工作面采空区下方，通过矿压在线监测系统观测工作面支架阻力和采场矿压。本次研究将沿工作面运输方向分为上中下3个测区，1#～30#支架作为工作面上部测区，31～60#支架作为工作面中部测区，61～89#支架作为工作面下部测区，即邻近回风巷一侧。为方便数据统计，选取具有代表性的5#、15#、25#、35#、45#、55#、65#、75#、85#液压支架的监测数据进行分析。由于顶煤提前放出后，后柱支护阻力往往偏低，不能够反映支架真实承压状况，因此，一般选取前柱支护阻力作为分析对象。30501工作面支架阻力监测分区布置见图2。

图2 30501工作面支架工作阻力监测分区布置

3 矿压观测结果与分析

3.1 初采期间

选取工作面初采期间数据进行统计分析，该阶段工作面大约推进220 m，基本达到工作面“见方”处。根据该阶段总的推进度计算，工作面平均完成3.7个循环/d，循环进尺为0.8 m，平均进尺为2.97 m/d。对该阶段工作面推进的前220 m范围内支架工作阻力分析发现，期间共发生了9～10次来压。依据统计学原理，支架平均循环阻力与其标准差之和作为顶板来压判据：

(1)

(2)

(3)

整理实测数据，代入式(1)～式(3)可求得不同测站支架的来压判据值，见表1。

习惯上常以动载系数k作为衡量基本顶周期来压强度指标，动载系数可表示为

k=pz/pf,

(4)

式中，pz为周期来压期间支架平均工作阻力，MPa；pf为非周期来压期间支架平均工作阻力，MPa。

由各支架的来压判据值得出工作面基本顶的来压步距，表2为工作面来压规律统计，表3为工作面周期来压步距统计。通过分析，可以得到30501工作面顶板来压有如下特点：

表1 不同测站支架来压判据计算值

表2 工作面来压规律统计

表3 工作面周期来压步距规律统计

(1)基本顶初次来压步距为20.4～36.8 m，平均为26.6 m；周期来压步距为6.8～39.3 m，平均为18.5 m。整体看，工作面来压步距离散性较大，差别较大，规律性较差，已破断基本顶岩块的不规则形状及尺寸是30501工作面支架来压步距离散性较大的主要原因。

(2)上部测区支架初次来压步距为27.6～36.8 m，平均为31 m，周期来压步距为8.2～39.3 m，平均为19.3 m；中部测区支架初次来压步距为20.4～27.6 m，平均为23.9 m，周期来压步距为6.8～31.2 m，平均为18.1 m；下部测区支架初次来压步距为21.8～28.6 m，平均为25 m，周期来压步距为8.2～31.4 m，平均为18.1 m。由此看出，工作面初次来压步距呈现中下部较小、上部较大的特点，周期来压步距则基本呈现大致相同的特点，工作面上部略大。

(3)工作面推进220 m过程中，55#、75#、85#支架记录到10次周期来压，5#、15#、25#、35#、45#、65#支架记录到9次周期来压。

(4)各个测点初次来压期间的支架平均工作阻力在28.8～31.9 MPa，为支架额定工作阻力的78.1%～86.5%，初次来压前支架平均工作阻力在24.5～27.3 MPa，为支架额定工作阻力的66.5%～74.1%。初次来压期间，与支架的额定工作阻力相比，阻力富余较大，来压情况正常。周期来压期间，支架平均工作阻力在29.5～31.9 MPa，为支架额定工作阻力的80.0%～86.5%，非周期来压期间支架平均工作阻力在23.3～26.9 MPa，为支架额定工作阻力的63.2%～73.0%。非周期来压期间支架阻力富余较大，从历次来压情况来看，下部测区75#支架在第7次周期来压末，产生了51 MPa的超强支护阻力。总体来看，其余支架在周期来压期间基本保持了正常的工作状态。

(5)工作面初次来压期间动载系数为1.11～1.27，平均为1.19，总体看，初次来压期间动载系数不大，表明初次来压强度不大。工作面周期来压动载系数属正常波动状态，为1.15～1.30，平均为1.22，动载系数偏小，表明顶板受特厚顶煤缓冲作用，使工作面周期来压强度较小。

3.2 正常回采期间

对30501综放工作面正常回采期间的支架工作阻力进行二次分析，这期间工作面推进约214 m，根据该阶段总的推进度计算，工作面平均完成2.94个循环/d，循环进尺为0.8 m，平均进尺为2.35 m/d。此次选取工作面上、中、下具有代表性的20#、50#、80#支架阻力进行分析，对该阶段工作面的支架工作阻力分析发现，这期间共发生了8～9次来压。

依据顶板来压判据公式，整理实测数据，代入其中可求得不同测站支架的来压判据值，见表4。

表4 不同测站支架来压判据计算值

30501工作面放煤后容易出现支架后立柱接顶不良的状况，故选择支架前柱来压值作为周期来压判据。根据矿压观测数据，以工作面距开切眼的推进距离为横坐标，绘制液压支架工作阻力随工作面推进距离的变化曲线，其中，选择液压支架工作阻力每日的循环阻力平均值作为本次曲线绘制的数值，见图3。

图3 工作面液压支架工作阻力变化曲线

根据图3可以得到30501工作面正常回采期间顶板来压有如下特点：

(1)工作面周期来压步距为6～44.6 m，平均为17.8 m。整体来看工作面来压步距离散性比较大，且工作面内各支架来压步距差别较大，并未呈现出较为规律的整体来压步距。

(2)工作面上部支架(20#)周期来压步距平均为19.1 m；工作面中部支架(50#)周期来压步距平均为17.1 m；工作面下部支架(80#)周期来压步距平均为17.5 m。

(3)20#支架记录到了8次周期来压，50#支架记录到了11次周期来压，80#支架记录到了10次周期来压。

(4)工作面周期来压期间，矿压显现不强烈，现场观测发现支柱活柱下缩量也较小，来压期间煤壁压力较小，没有发生大面积片帮现象，加之本身放顶煤工作面来压强度不大，因而30501工作面来压强度显得更小。非来压期间，支架工作阻力相对适中，基本上在24～28 MPa，说明支架选型基本满足现场生产实际。

4 支架承载特性及其适应性分析

4.1 初撑力分析

为了分析支架初撑力及其对工作面的适应性，根据30501工作面支架阻力统计，作出现场实测期间8和9月份支架载荷分布的频率直方图，见图4。

从图4(a)中可以看出，整面支架初撑力主要集中在10～30 MPa，占统计总数的93.75%，达到额定初撑力80%(25.2 MPa)的支架占总数20.5%，而超过30 MPa的支架只有3.13%；从图3(b)可以看出，整面支架初撑力主要集中在10～30 MPa，达到统计总数92.58%，超过额定初撑力80%(25.2 MPa)的支架占18.14%，而超过30 MPa的支架只有3.97%。通过分析支架初撑力分布状态可以得出，30501工作面支架初撑力处于较低水平，支架工作效能没有得到充分发挥。

图4 各段时间支架初撑力分布

4.2 工作阻力分析

对所测的9个支架的工作阻力按阻力区间5 MPa 进行统计分析，计算出支架工作阻力在各阻力区间的百分比。工作面支架工作阻力频率分布直方图见图5。

图5 工作面支架循环工作阻力频率分布

从图5可以看出，工作面支架循环工作阻力主要分布在15～35 MPa，占统计总数的72.74%，达到支架额定初撑力值(32.5 MPa)的支架数量占27.66%，超过支架额定工作阻力(38.5 MPa)的支架占11.11%，低于额定工作阻力80%(30.8 MPa)的支架占总数的70.34%，该工作面的支架工作阻力有一定的利用，但是，低于额定工作阻力的支架占很大比重，说明支架工作阻力还有一定的余量，支架能够满足支护顶板的要求。支架工作阻力的分布区间基本呈现出正态分布的特征，说明工作面整体支架处于相对较好的阻力分布状态。

5 结 论

(1)工作面初采期间，工作面初次来压步距呈现中下部较小、上部较大的特点，周期来压步距则基本呈现大致相同的特点，工作面上部略大。初次来压动载系数平均为1.19，整体来压强度较小，来压步距离散性较大，局部偶有压力异常显现。工作面周期来压动载系数平均为1.22，动载系数偏小，属正常波动状态，表明顶板受特厚顶煤缓冲作用，使工作面周期来压强度较小。

(2)工作面正常回采期间，周期来压步距为6～44.6 m，平均为17.8 m。整体来看，工作面来压步距离散性比较大，且工作面内各支架来压步距差别较大，并未呈现出较为规律的整体来压步距。发生周期来压时，矿压显现不强烈，现场观测发现支柱活柱下缩量也较小，来压期间煤壁压力较小，没有发生大面积片帮现象，加之本身放顶煤工作面来压强度不大，因而30501工作面来压强度显得更小。

(3)通过对中煤塔山特厚煤层综放工作面支架工作阻力进行了现场实测，支架阻力基本上近似为正态分布，支架工作状态较为稳定，矿压观测结果验证了工作支架选型合理，支架能够满足综放开采工作面顶板控制要求。