中厚煤层大采高工作面顶板来压规律研究

李智杰

【摘 要】 本文通过理论分析和现场实测的方法，对山西某矿25503大采高综采工作面上覆岩层老顶的矿压显现规律进行了研究，主要得到以下结论：理论计算得到25503大采高综采工作面上覆岩层老顶的初次来压与周期来压步距分别为21.2 m和8.65 m;现场观测得到综采工作面上覆岩层老顶的初次来压与周期来压步距分别为20.5m和8.5 m。理论计算结果与现场观测结果基本一致，可以作为该矿其他工作面开采的重要数据依据。

【关键词】 中厚煤层;大采高;矿压显现

【中图分类号】 TD322+.1 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）05-0003-02

工作面顶板来压步距的大小对工作面上覆岩层老顶的破断方式和老顶岩层的来压强度有着直接影响。因此，工作面顶板的初次来压和周期来压步距的大小对工作面乃至整个矿井的安全生产管理具有极其重要的作用。工作面的支护形式、支护密度和采空区顶板处理与上覆岩层顶板的来压步距的大小有着直接关系。通常情况下，工作面上覆岩层顶板的初次来压与周期来压往往需要通过对工作面现场的实际测量得到，其相应得到的结果往往会指导该矿相邻的其他工作面的安全生产。

1工程概况

山西某矿25503大采高综采工作面，主采的中厚煤层为2#煤层，煤层厚度约为4.5m，采用单一倾向长壁开采方法，煤层开采过后，工作面后部的采空区采用顶板全部垮落法处理。25503煤层在大采高工作面内不存在较大的断层，煤层顶底板岩层稳定性高。25503煤层赋存情况如图1所示。

2顶板来压步距理论计算

在大采高综采工作面煤层开采初期，工作面上覆岩层直接顶随工作面的推进而不断掉落，并在工作面后方开采空间内杂乱堆积。而工作面上覆岩层老顶的悬露面积不断增大，当老顶的悬露距离达到其跨度极限时，老顶岩层就会发生突然的断裂，此时老顶岩层中相邻两岩块能够铰接在一起，进而达到一种平衡状态，但是在一些情况下，工作面上覆岩层老顶会发生台阶下沉，即滑落失稳现象。以上称之为大采高综采工作面初次来压。在工作面推进一段时间后，上覆岩层老顶的悬臂结构会出现周期性破断现象。这为大采高综采工作面的上覆岩层老顶的周期来压过程。

将25503大采高综放工作面的上覆岩层老顶岩层按照固支梁加以考虑，则工作面煤层开采初期的开采高度为4.50m，则经过理论计算得到上覆垮落带高度大于9m。因此，在考虑到垮落带岩层已经包含部分上覆老顶岩层，故认为老顶分层分为下分层厚度6.2m和上分层厚度5.8m两部分。基于老顶分层厚度计算该大采高综采工作面的初次来压步距为：

式中：

h为老顶上分层厚度，5.8m;RT为老顶的抗拉强度，约3.5MPa。q为老顶岩层受到的均布载荷，根据关键层理论得0.35MPa。

代入公式（1）可得25503大采高综采工作面老顶的初次来压步距约为21.2m。

依据矿山压力与岩层控制相关知识有：

则该大采高综采工作面老顶的周期来压步距约为8.65m。

3现场实测

3.1观测方法

在25503大采高综采工作面内大采高综采液压支架的立柱上布置压力传感器，共计10个，分别安装在5#、20#、35#、50#、65#、80#、95#、110#、125#和140#液压支架的前柱上。压力传感器的布置如图2所示。

在大采高综放工作面的不断推进过程中，每间隔10分钟将压力传感器采集的数据传输到地面支架数据收发室，收发室的工作人员及时对井下工作面内液压支架立柱的工作阻力值进行统计和分析。

3.2观测结果

图3为20#、65#和110#液压支架初次来压步距统计图。由图可知，当25503大采高综采工作面顶板推进到约9m时，工作面机头位置7#～20#液压支架上部直接顶岩层开始出现垮落现象，伴随直接顶掉落砸到液压支架的声音。

当工作面推进到约16m时机头位置处的液压支架受到的工作阻力增大，均达到额定工作阻力，液压支架上的安全阀频繁开启。但是，在大采高综采工作面内中部的液压支架受到工作阻力值又有所上升，但小于工作面机头与机尾处液压支架的工作阻力。而当工作面继续推进到约20.5m位置时，通过观测数据可知，工作面中部65#、80#和95#液压支架立柱受到的工作阻力急剧增大，且部分液压支架上的安全閥频繁开启，此时则认为25503大采高综采工作面老顶岩层发生了初次来压。当工作面推进到23m时，工作面恢复平静，初次来压结束。

当工作面继续推进到25m左右时，大采高综采工作面机头5#和30#液压支架立柱机尾位置处的125#和140#液压支架立柱的工作阻力出现明显增大的趋势，而中部液压支架却依然在某一范围波动，并未出现明显的变化趋势。当工作面继续推进到28m左右时，大采高综采工作面内50#～115#液压支架立柱的工作阻力开始增大。当采煤机继续推进2刀时，部分液压支架的安全阀开启。此时则认为25503大采高综采工作面老顶岩层发生了周期来压。当工作面继续推进到29m左右时，工作面中部液压支架立柱受到的工作阻力缓慢减小，此时则认为大采高综放工作面上覆岩层老顶的周期来压发生完成。之后在工作面推进到35m、43m、52m、60m、67m、75m时，同样统计到上覆老顶岩层出现周期来压。图4为20#、65#和110#液压支架周期来压步距统计图。

通过现场测量得到，25503大采高综采工作面上覆岩层老顶的初次来压与周期来压步距分别为20.5m和8.5m，与理论计算得到的结果基本相一致，因此25503大采高综采工作面的数据可以作为该矿其他工作面开采的重要数据依据。

4结论

本文通过理论分析和现场实测的方法，对山西某矿25503大采高综采工作面上覆岩层老顶的矿压显现规律进行了研究，主要得到以下结论：

（1）通过结合理论力学和矿山压力与岩层控制相关理论知识，计算得到25503大采高综采工作面上覆岩层老顶的初次来压与周期来压步距分别为21.2m和8.65m。

（2）通过现场实际观测得到25503大采高综采工作面上覆岩层老顶的初次来压与周期来压步距分别为20.5m和8.5m。理论计算结果与现场观测结果基本一致，可以作为该矿其他工作面开采的重要数据依据。

【参考文献】

[1]吕生龙.大采高工作面矿压显现特征及支架适应性研究[J].煤矿现代化，2019（5）：130-132，135.

[2]常伟.厚煤层综放工作面矿压显现规律研究[J].山西能源学院学报，2019，32（1）：4-5，9.

[3]李永鹏.浅埋大采高综采工作面矿压规律分析[J].山西能源学院学报，2018，31（5）：10-12.

[4]刘谋珍.中厚煤层综采工作面矿压规律实测研究[J].江西煤炭科技，2017（1）：21-23.

[5]许家林，钱鸣高.覆岩关键层位置的判别方法[J].中国矿业大学学报，2000，29（5）：463-467.

[6]钱鸣高，缪协兴，许家林，等.岩层控制的关键层理论[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003：65-99.