大采高综采工作面不同条件下的矿压显现规律

2019-03-20袁小春邵小平郑继锐

陕西煤炭 2019年2期

袁小春，邵小平，郑继锐

(1.神东煤炭集团哈拉沟煤矿，陕西神木 719315；2.西安科技大学能源学院，陕西西安 710054)

0 引言

浅埋煤层开采一般会面临顶板、水和溃沙等灾害防治问题[1]，开采近距离煤层群下层煤综采工作面常需要过上层煤采空区集中煤柱等特殊危险段[2-5]，在该区段易发生压架事故，严重威胁安全生产。以神东煤炭集团哈拉沟煤矿22208综采工作面为研究对象，该工作面同时存在薄基岩富水区和上覆采空区等多方面灾害影响。因此对22208综采工作面进行全面矿压观测、分析、总结综采工作面在不同时期和条件下的矿压显现规律。

1 工作面基本情况

1.1 工作面概况

22208综采工作面位于2-2煤二盘区，面长245.2 m，推进长度4 352.3 m。东北相邻22518备采工作面，西南为已回采完毕的22207综采面采空区，东南为2-2煤中央辅运大巷。22208综采面采用综采一次采全高倾斜长壁综合机械化采煤法，全部垮落法处理采空区。工作面回采范围内煤厚3.4～6.12 m，平均煤厚5.5 m，煤层结构简单，属稳定型煤层，设计采高5.3 m。

1.2 工作面水文地质情况

22208综采工作面上覆基岩厚度23.95～95 m，松散层厚度0～55 m，松散含水层厚度约5～10 m，埋深72～80 m。

22208综采面距切眼524～940 m范围内对应地表为三元沟南沟，沟内无明流，过沟段上覆基岩厚度23.95～46 m，松散层厚度0～15 m，现含水层厚度5.72 m。

22208综采面距切眼965.8～1 131.3 m区域上覆为1-2煤巷道集中煤柱；距切眼1 131.3～1 892.5 m区域上覆为12103采空区；距切眼1 892.5～2 329.8 m区域上覆为1-2上101面采空区；距切眼965.8～2 155.8 m区域上覆为12103及12102顺槽煤柱。回采区域2-2煤与1-2煤层间距18～28.5 m，2-2煤与1-2上煤层间距30～38.4 m，过煤柱及采空区期间存在冒顶、压架、采空区积水与有害气体涌出异常等隐患。

22208综采面最大涌水量为203 m3/h，正常涌水量100 m3/h。

1.3 工作面设备配套情况

工作面配套144台郑煤ZY10800/28/63[10 800 kN]二柱掩护式液压支架，架宽1.75 m，立柱安全阀卸载压强为43 MPa，配套德国EKF采煤机，装机功率2 390 kW，滚筒直径3.2 m，德国DBT 3×1 000的刮板输送机及配套的700 kW/3 300 V转载机、522 kW/3 300 V破碎机各1台。

2 不同时期与不同条件下的矿压显现规律

2.1 老顶初次来压

22208综采面切眼施工了高压水预裂，直接顶垮落步距13 m，老顶初次来压步距38.5 m，水预裂效果较好。表1为22208综采面初采期间矿压特征表(0～50 m)。

表1 22208综采面初采期间矿压特征表

初采推进至13 m：直接顶基本垮落，除1#～10#、20#～30#、141#～144#架未垮之外，其余架后基本垮落。工作面45#～102#支架压力普遍为30～35 MPa，其余区域支架压力均不足30 MPa。

工作面推进至30 m：老顶初次来压持续4刀，1#～5#架未垮实，其余架后垮实。采空区老顶垮落产生飓风，并伴有耳鼓，工作面来压段支架立柱安全阀基本全部开启，由于初采采高4.5 m，留有约1 m顶煤，所有工作面顶板未出现明显切顶漏矸现象，工作面30#～125#支架压力普遍为40 MPa以上，峰值压力达到50.3 MPa，地表对应22208回顺向工作面77 m范围出现塌陷裂缝。因此该面老顶初次来压步距为38.5 m。

老顶初次来压分析：该工作面与类似条件综采面对比，老顶初次来压步距缩短了约20 m，峰值压力也小了约3～4 MPa。分析认为，主要是高压水预裂起到了积极作用，因为该预裂方式与传统的切眼深孔爆破预裂方式有本质的区别，原来的深孔爆破预裂只是对切眼上方的顶板进行预裂，而高压水预裂是在切眼沿工作面推进方向斜向上钻孔进行预裂，即在回采前初采区域内的上覆基岩完整性已被预裂破坏，因此在后期回采过程中，随工作面的推进，老顶失稳较快，最终使得初采来压步距和峰值压力变小。

2.2 正常回采矿压观测

表2为22208综采面初采期间矿压特征表(50～100 m)。

观测距离50 m：共观测到4次周期来压，该阶段平均来压强度33.9 MPa，来压最大载荷45 MPa，平均来压步距9 m，来压平均持续4刀，该回采区域受冲刷影响，煤层薄，工作面采高4.7～4.8 m。本阶段来压步距较为均匀，强度相对较小，来压主要集中在40#～120#架区域，峰值压力主要集中在80#～100#架附近。地表回采区域基本全部塌陷，工作面来压期间出现顶板漏矸，漏矸厚度小于500 mm，初采阶段煤壁较硬，因此无明显片帮，工作面涌水未见增大。

表2 22208综采面正常回采期间矿压特征表

100 m的矿压观测：该面长度为245 m，比临近已回采完毕的22206和22207面305 m相比，面长缩短60 m，来压步距也相对变小(上述两面步距约为12 m)，强度也较小。

2.3 过三元沟薄基岩富水区矿压观测(690～740 m)

表3为22208综采面过薄基岩富水区期间矿压特征表(690～740 m)。

表3 22208综采面过薄基岩富水区期间矿压特征表

第1次周期来压：来压步距11.2 m，来压持续5刀，压力平均值35.7 MPa，峰值45 MPa，该区域上覆基岩30 m左右，来压主要集中在50#～120#架，顶板漏矸，安全阀开启率21%。

第2次周期来压：来压步距10.4 m，来压持续6刀，压力平均值36.3 MPa，峰值45.6 MPa，煤壁较硬未出现明显片帮迹象，顶板漏矸，安全阀开启率18%，立柱未见明显下沉，该段开始进沟。

第3次周期来压：来压步距12 m，来压持续4刀，压力平均值34 MPa，峰值43.8 MPa，该段进入沟底段基岩厚度最薄24 m，此次来压强度较小，来压持续时间短，来压不强烈，漏矸不明显，无片帮，安全阀开启率14%，工作面小范围出现淋水等现象，未见其他异常。

第4次周期来压：来压步距12 m，来压持续6刀，压力平均值35 MPa，峰值45.6 MPa，此次来压范围广强度不大，来压持续时间长，30#～110#架基本均来压，该段来压呈现机尾和机头分段来压，且机尾段来压相对强烈，未见流沙、淋水等现象。

小结：通过本次矿压观测，工作面煤壁较硬，片帮不严重，有明显漏矸现象，来压主要集中在50#～120#架附近，进沟压力未见明显增大，工作面已推采700 m以上，但煤壁仍较硬，片帮不明显，反而顶板条件较差，来压极易冒落；过沟期间未见涌水或淋水增大，未见架后流沙，说明之前疏放水的效果很好。

2.4 过薄基岩富水区矿压观测(740～790 m)

表4为22208综采面过薄基岩富水区期间矿压特征表(740～790 m)。

表4 22208综采面过薄基岩富水区期间矿压特征表

第1次周期来压：来压步距8 m，来压持续4刀，压力平均值35.4 MPa，峰值45.6 MPa，该区域上覆基岩24 m左右，来压主要集中在30#～120#架，顶板漏矸，安全阀开启率25%，来压较为强烈。

第2次周期来压：来压步距9 m，来压持续7刀，压力平均值38 MPa，峰值46.2 MPa，该段出沟对应地表为山梁且基岩逐渐变厚，此次来压强度大，来压持续时间长，安全阀开启率29%，工作面小范围出现淋水等现象，未见其他异常。

第3次周期来压：来压步距11.2 m，来压持续3刀，压力平均值34 MPa，峰值43.2 MPa，煤壁较硬未出现明显片帮迹象，顶板漏矸严重，安全阀开启率23%，该段开始出沟。

第4次周期来压：来压步距11 m，来压持续5刀，压力平均值34.1 MPa，峰值43.8 MPa，此次来压范围及强度均不大，来压持续时间短，未见流沙、淋水等现象。

小结：通过本次矿压观测，工作面煤壁较硬，片帮不严重，有明显的漏矸现象，来压主要集中在30#～120#架附近，出沟压力明显增大，主要体现在漏矸严重，来压持续时间长等特点，两顺槽超前压力未见异常，未见明显涌水或淋水增大的现象，工作面安全出沟。

2.5 过上覆采空区及集中煤柱矿压观测(进煤柱)

表5为22208综采面过上覆集中煤柱期间矿压特征表。

表5 22208综采面过上覆集中煤柱期间矿压特征表

第1次周期来压：来压步距17.6 m，来压持续3刀，压力平均值33.7 MPa，峰值47.4 MPa，来压主要集中在35#～105#架，顶板漏矸，未见明显片帮，安全阀开启率9%，开始进入上覆煤柱。

第2次周期来压：来压步距14 m，来压持续6刀，压力平均值35.8 MPa，峰值46.2 MPa，煤壁较硬未出现明显片帮迹象，顶板漏矸，安全阀开启率12%，立柱未见明显下沉。

第3次周期来压：来压步距16 m，来压持续3刀，压力平均值33.8 MPa，峰值43.8 MPa，来压持续时间短，来压不强烈，漏矸不明显，无片帮，安全阀开启率12%，未见其他异常。

小结：通过本次矿压观测，工作面煤壁较硬，片帮不严重，有明显漏矸现象，来压主要集中在35#～115#架附近，工作面长度245 m，比临近工作面22207短60 m，工作面周期来压步距比临近面要长4 m左右，且来压强度小，上覆煤柱对工作面的影响不大。

2.6 过采空区及架中煤柱矿压(出煤柱)

表6为22208综采面过上覆集中煤柱期间矿压特征表。

第1次周期来压：来压步距12 m，来压持续6刀，压力平均值38.6 MPa，峰值47.8 MPa，来压主要集中在40#～115#架，顶板漏矸，未见明显片帮，安全阀开启率48%，来压强度较为强烈，峰值压力大，安全阀普遍开启。

第2次周期来压：来压步距12.8 m，来压持续5刀，压力平均值38 MPa，峰值44.4 MPa，煤壁较硬未出现明显片帮迹象，顶板漏矸，安全阀开启率41%，立柱未见明显下沉。

表6 22208综采面过上覆集中煤柱期间矿压特征表

第3次周期来压：来压步距18.4 m，来压持续7刀，压力平均值38.2 MPa，峰值49.8 MPa，来压强裂且持续时间长，漏矸明显，有炸帮现象，安全阀开启率51%，出煤柱来压强烈，立柱最大下沉量10 cm。

出煤柱情况：2017年9月13日早班，上一周期压力过去14刀后工作面30#～90#架段来压，峰值压力在87#架50 MPa，此时机尾已经出煤柱4 m，机头剩余1 m出煤柱，55#架(12103集中煤柱对应为55#-机尾)出煤柱1 m，压力持续6刀，立柱有少量下沉。

小结：通过本次矿压观测，22208面出上覆集中煤柱期间压力相对22207面要小很多，未出现动载矿压压架事故，分析原因，一方面22208面比22207面短60 m，推进速度快，平均一天比22207多推进3.5 m；另一方面22208面与22207面为同一个集中煤柱，在回采22207集中煤柱压力释放，当时出现较为强烈的动载矿压，使得22208面上覆区域的集中煤柱多出一个压力释放的自由面，压力得到一定的释放；另外22208面55#架至机尾为上覆煤柱影响区域，而非22207全工作面受集中煤柱影响，综上分析，22208面出煤柱期间压力虽然比正常周期来压大，但未出现明显动态矿压显现，且工作面煤壁较硬，片帮也不严重，使得工作面安全顺利通过上覆集中煤柱影响区域。

2.7 末采矿压观测(距贯通200～150 m)

表7为22208综采面末采矿压特征表距贯通200～150 m)。

根据矿压观测结果分析，①平均周期来压步距10 m，来压平均持续5刀，来压峰值42.3 MPa，平均动载系数1.2；②矿压显现呈现出大小来压周期特征，来压步距最大11.2 m，最小7.2 m，大周期时来压强度相对较大，范围较广，持续时间长；③周期来压期间，工作面中部切顶漏矸，需拉超前架护顶，最大切顶高度约0.6 m，片帮最大深度0.5 m，高度3 m，炸帮严重；④来压期间峰值压力附近支架立柱安全阀开启，开启率26%～31%，未见明显顶板下沉；⑤两顺槽超前压力显现主要体现在片帮严重，深度可达0.5 m，局部形成全断面片帮，运顺浆皮脱落严重，小范围顶板鳞皮，但未见顶板离层仪数据明显变化；⑥来压主要集中在50#～110#架范围，架后直接顶基本可以随采随冒，没有出现连续3架以上垮落不实的现象，来压期间架后垮落岩块较碎小，甚至呈粉末状。

表7 22208综采面末采矿压特征表

2.8 末采矿压观测(距贯通50～0 m)

表8为22208综采面末采矿压特征表(距贯通50～0 m)。

表8 22208综采面末采矿压特征表

根据矿压观测结果分析，①平均周期来压步距10.7 m，来压平均持续约4刀，来压峰值48.2 MPa，平均动载系数1.44；②本阶段来压步距较为一致，平均约10.7 m，其中最大来压步距13.6 m，最小10 m，临近贯通前两次周期来压较为强烈；③本阶段矿压显现强烈，进入剩余50 m的位置，工作面采高将至4.6～4.7 m，留有0.8 m左右的顶煤，来压期间没有明显的漏顶，只是片帮较为严重，最大深度可达1 m以上，炸帮严重；④距贯通4.5 m时，由于生产组织的调整，工作面停产14 h，停机时工作面压力刚过去，但在停产10 h后，工作面支架立柱压力值开始增大，除两端头30#架以外，其它区域压力均在40 MPa以上，生产两刀煤后，压力持续增大，安全阀全部开启，支架立柱出现缓慢下沉，最大下沉量达到300 mm，现场采取快速推进的方式甩压，但是炸帮非常严重，剩余2 m时局部煤壁中间与通道贯通，两刀煤后压力过去，贯通期间工作面基本无压，通道垛架压力普遍在35～40 MPa之间，出现下沉现象，最大下沉量约100 mm，通道副帮及联巷口没有明显片帮，较为完好；⑤类似工作面以往末采期间没有出现过立柱下沉，此次出现的立柱下沉分析原因主要是停产时间较长，在停产10 h后出现压力增大的现象，开始割煤后压力持续增加，出现立柱下沉，因此今后类似条件工作面，停产时间最好控制在8 h以内，末采采高要比通道高200～300 mm，防止出现立柱下沉影响了贯通质量，若不停产则仍按照正常采高贯通。