房采区下覆综采工作面矿压规律实测分析

李建平

(山西焦煤集团 介休正益煤业有限公司，山西 晋中 032099)

神东矿区众多煤矿在开采初期采用了房柱式采煤法，随着采煤方法的改革，目前下部煤层多采用长壁式进行回采，致使部分下部煤层综采工作面布置在房采采空区下，使房采区下综采工作面顶板控制出现了严重挑战[1-4]. 上覆房采区大采高煤柱受下部煤层采动应力的影响，极可能出现“多米诺”式的整体失稳[5-7]，从而造成顶板切落，工作面煤壁片帮，引发压架和伤人事故；房采煤柱集中应力的向下传递，造成下部煤层回采巷道围岩应力加大，巷道变形控制困难。因此，为保证大柳塔煤矿22202综采工作面能够安全回采，需对工作面回采期间的顶板控制进行研究[8-9].

1 工作面开采条件

1.1 开采地质条件

22202工作面为大柳塔矿22煤二盘区已回采的大采高综采工作面，煤层厚度3.7～4.3 m，平均煤厚3.95 m，厚度稳定，结构简单，平均埋深约65 m，煤层倾角1°～3°. 工作面松散层平均厚度约12 m，基岩平均厚度50 m，所以松散层较薄，基岩较厚。22202工作面开采区域正上方为12煤房采采空区，煤柱基本未垮落，该房采区采用连采房柱式采煤工艺，房采采高达到7～7.5 m，采硐宽度5 m，煤柱7 m. 采空区总面积为11.63万m2，占22202综采面回采面积的60%左右。12煤与22煤层间距25.8～30.37 m；在回顺14联行靠近22煤火烧边界顶帮煤层局部松散变软。煤层瓦斯含量低，属二氧化碳～氮气带，煤尘具有爆炸性，属于易自燃煤层，最短发火期30天，无地温异常。

1.2 工作面顶底板情况

22202综采工作面煤层顶底板情况见表1.

表1 22202综采工作面煤层顶底板情况表

1.3 工作面布置和开采区域划分

1.3.1工作面布置

22202工作面位于武当沟风井东侧，王渠沟南侧；对应地表有大苏线、两条村村通公路，有若干简易土路及坟地。该工作面东侧为22400工作面，西侧为22201工作面(已回采)；南侧为22煤主斜井，北侧靠近22煤火烧边界；回采面上覆为原12煤房采区。工作面沿煤层走向布置，走向长度579.4 m，倾斜长度315.6 m，面积18.11万m2.

1.3.2开采区域划分

根据22202工作面上方采空区煤柱的特点，将工作面面长方向划分为5个监测区，各区尺寸和煤柱尺寸如下：

1) 机头房采巷道区：长530 m，宽50 m，面积约26 500 m2，上方1-2煤煤柱20 m×20 m.

2) 房采小煤柱区：长477 m，宽104 m，面积约49 608 m2，煤柱主要为7 m×7 m，有9块20 m×30 m和20 m×40 m的煤柱，采硐宽5 m.

3) 房采中间隔离煤柱区：隔离煤柱长422 m，宽10 m，面积约4 220 m2.

4) 房采大煤柱区：长404 m，宽85 m，面积约34 340 m2，其中较小煤柱5 m×15 m，有12块15 m×40 m煤柱，采硐宽5 m.

5) 机尾集中煤柱区：包括1-2煤房采巷道保护煤柱和大巷巷间煤柱，面积共约24 325 m2；房采巷道保护煤柱长405 m，通条煤柱宽35 m，面积约14 175 m2；大巷巷间单条煤柱长15～60 m，宽15 m，总煤柱面积约10 150 m2.

2 工作面矿压规律实测

顶板运动步距主要以工作面支架工作阻力的周期性变动和工作面宏观矿压显现作为判别的标准。统计了工作面正常推进(274.4～579.4 m)305.0 m过程中的支架工作阻力，分析和总结了13个监测部位支架初撑力和循环末阻力变化特点：

1) 4个区域10个监测部位顶板呈现出明显的周期来压现象。

2) 20#支架在274.4～507.9 m呈现出明显的周期来压现象，507.9 m之后无明显来压现象。

3) 161#、170#和180#等支架，即机尾约60 m范围内支架循环末阻力曲线几乎为一条直线，表明顶板并无明显来压显现。

5个监测区域各选取了一条监测部位的支架工作阻力曲线，见图1.

在工作面正常推进305.0 m过程中，10个监测部位处支架呈现明显周期性矿压显现规律，分析了其顶板周期性运动特征。

2.1 工作面顶板运动步距

顶板周期来压步距、显著运动步距和相对稳定步距统计见表2.

由表2可知：

1) 顶板周期来压步距平均值c=15.7～20.1 m/17.9 m，折合割煤刀数20～21刀。

2) 显著运动步距(来压持续步距)平均值a=4.1～6.0 m/4.8 m，a≈0.27c，约折合割煤刀数5～6刀；显著运动步距从中部向机头机尾逐步减小。

3) 相对稳定步距平均值b=11.0～15.4 m/13.0 m，约折合割煤刀数15～16刀。

2.2 工作面支架工作阻力

支架工作阻力和动载系数统计见表3.

表3 工作面支架工作阻力和动载系数表

由表3可知：

1) 工作面来压时，支架均值工作阻力10 385～11 242/107 66 kN，占支架额定工作阻力的86.5%～93.7%/89.7%，支架利用率较高。

2) 工作面来压前支架工作阻力7 672～8 122/7 927 kN，各部位支架受力相差不大。

3) 支架动载系数均值1.33～1.40/1.36，均方差0.02，离散性。

3 房采区下综采工作面矿压规律对比研究

22202工作面自开切眼至推进150 m段上覆12煤未采，该实体煤段没有进行矿压监测，引用22101工作面实体煤下矿压参数，研究工作面在实体煤下和在采空区下矿压规律的区别。

3.1 实体煤下与房采采空区下矿压规律对比

3.1.1工作面开采条件

2015年8月大柳塔矿22煤一盘区共计布置3个综采工作面，其上部为12煤采空区，分别是大柳塔矿12107综采面采空区、12203综采面采空区，又有约0.5 km2的区域为双庙梁小窑采空区，并且这些采空区均已相互沟通。12煤、22煤层间距15.7～29.55 m，22煤埋深约60 m、厚度3.5 m. 22101综采面采高3.3 m，支架基本型式为2柱掩护式2×6 000 kN，额定工作阻力为12 000 kN.

3.1.2压测区布置和观测

22101工作面是刀把型工作面，22101(1)面(窄面)宽度195.1 m，推进长度179.2 m；22101(2)面(宽面)宽度285.4 m，长度295.6 m，上覆为12煤采空区。选取40#、59#和80#支架所在位置3条测线进行系统矿压观测。22101工作面和矿压测区布置见图2.

图2 已采22101工作面矿压测区布置图

3.1.3工作面顶板周期来压步距对比

22101工作面实体煤下与房采采空区下周期来压步距对比见表4.

由表4可知，22101(1)面周期来压步距为11.8 m，比22101(2)周期来压步距11.5 m大0.3 m(2.6%)，相差不大，所以顶板条件相同的条件下，上覆采空区对工作面顶板运动步距的大小影响较小。

3.1.4工作面支架工作阻力对比

22101工作面实体煤下与房采采空区下支架循环末阻力对比见表5.

表5 实体煤和采空区下支架循环末阻力对比表

由表5可知，22101(2)面支架循环末阻力为7 649 kN，比22101(1)面(6 905 kN) 大744 kN(10.8%)，所以工作面在采空区下顶板压力要大于在实体煤下顶板压力，平均大约10.8%.

3.1.5来压时支架循环末阻力对比

22101工作面来压时在实体煤下与房采采空区下支架循环末阻力对比见表6.

表6 来压时在实体煤和采空区下支架循环末阻力对比表

由表6可知，22101(2)面来压时支架循环末阻力(10 167 kN)比22101(1)面(9 280 kN)大887 kN(9.6%)，因此，工作面来压时在采空区下顶板压力要大于在实体煤下顶板压力，平均大约9.6%.

3.1.6实体煤下与房采采空区下矿压显现规律

对22101工作面实体煤下与房采采空区下矿压规律的研究得出，房采采空区下顶板周期来压步距与实体煤下无明显差别；而所有循环的支架循环末阻力房采采空区下比实体煤下大10.8%，来压时支架循环末阻力房采采空区下比实体煤下大9.6%.

总之，房采采空区对工作面顶板运动步距无影响，但对工作面顶板压力影响较大，工作面采空区下顶板压力大于在实体煤下的顶板压力。

3.2 房采大、小煤柱尺寸段矿压规律对比

22202工作面在推进方向上的房采小煤柱区(2)和房采大煤柱区(4)，均有一段在大房采煤柱尺寸下。房采大煤柱尺寸段是指工作面在房采区下的一段开采区域中，其上为单排或多排，长宽尺寸为周边常规房采煤柱长宽尺寸2倍以上的大煤柱。分别对两个区域各自在大房采煤柱尺寸下和小房采煤柱尺寸下矿压规律进行对比研究。

房采小煤柱区(2)60#和70#支架在推进378.4～434.0 m为大房采煤柱尺寸段，273.4～378.4 m和434.0～579.4 m为小房采煤柱尺寸段；房采大煤柱区(4)的125#、129#和150#支架在396.2～483.1 m为大房采煤柱尺寸段，273.4～396.2 m和483.1～579.4 m为小房采煤柱尺寸段。

3.2.1顶板运动步距对比

工作面2个区域不同煤柱尺寸段顶板周期来压步距和显著运动步距对比见表7.

表7 不同煤柱顶板周期来压步距及运动步距对比表

由表7可知，房采大煤柱段和小煤柱段顶板来周期来压步距差异不大，顶板显著运动步距相差不大。

3.2.2支架工作阻力对比

1) 支架循环末阻力。

工作面两个区域不同煤柱尺寸段支架循环末阻力对比见表8.

由表8可知，工作面在大房采煤柱尺寸段支架循环末阻力与小房采煤柱尺寸段相差不大，平均小127 kN(1.5%).

表8 不同煤柱尺寸段支架循环末阻力对比表

2) 来压时支架循环末阻力对比。

工作面来压时两个区域不同煤柱尺寸段支架循环末阻力对比见表9.

表9 不同煤柱段支架循环末阻力对比表

由表9可知，工作面来压时，大房采煤柱尺寸段支架工作阻力与小房采煤柱尺寸段基本相等。

3.2.3矿压显现对比

大房采煤柱尺寸段与小房采煤柱尺寸段矿压显现对比见表10.

表10 房采大煤柱段与房采小煤柱段矿压显现对比表

由表10可知：

1) 工作面冒顶大房采煤柱尺寸段明显比小房采煤柱尺寸段冒顶严重。大房采煤柱尺寸段平均冒宽为4 508 mm，比小房采煤柱尺寸段的2 946 mm大1 562 mm(53.0%)；大房采煤柱尺寸段平均冒高为173 mm，比小房采煤柱尺寸段的110 mm大63 mm(57.3%).

2) 工作面片帮大房采煤柱尺寸段工作面平均片帮深度为32 mm，比小房采煤柱尺寸段的20 mm大12 mm(60.0%).

3) 工作面上部采空区为小煤柱时，工作面来压不强烈，来压持续步距全程4.4～5.2 m，工作面顶板下沉量72～132/96 mm；大煤柱下时，来压强烈，来压持续步距全程3.8～14.8 m,工作面顶板下沉量为258～392/334 mm；两种煤柱下工作面顶板下沉量相差238 mm(3.47倍)。

3.2.4不同尺寸段煤柱下工作面顶板压力分析

工作面顶板压力超过支架额定工作阻力时，支架安全阀开启，工作面顶板下沉让压。根据“支架-围岩”关系，工作面大煤柱尺寸段与小煤柱尺寸段达到相同顶板控顶效果时(顶板下沉量为72～132/96 mm)，前者工作面顶板压力较大。

4 结 论

本文主要对比研究了实体煤下与房采采空区下及不同尺寸段下工作面矿压规律。

1) 根据22202工作面上覆采空区特点，将工作面划分为5个开采区域，即机头房采巷道区、房采小煤柱区、房采中间隔离煤柱区、房采大煤柱区和机尾集中煤柱区。

2) 工作面周期来压步距c=15.7～20.1 m/17.9 m，显著运动步距a=4.1～6.0 m/4.8 m，相对稳定步距b=11.0～15.4 m/13.0 m；来压时支架均值阻力为10 385～11 242/10 766 kN，来压前支架工作阻力为7 672～8 122/7 927 kN，动载系数为1.33～1.40/1.36，工作面各支架处来压比较均匀。

3) 房采采空区下顶板周期来压步距与实体煤下无明显差别；支架循环末阻力房采采空区下比实体煤下大10.8%，来压时支架循环末阻力房采采空区下比实体煤下大9.6%.

4) 大小两种煤柱尺寸段下工作面周期来压步距、显著运动步距、支架工作阻力和动载系数均无明显差异，但大煤柱段顶板下沉量为小煤柱段的3.47倍，达到相同顶板控顶效果(顶板下沉量)时，大煤柱下工作面矿压显现(支架工作阻力)会更强烈。