8.8 m大采高综采工作面矿压规律

周海丰 黄庆享 贺雁鹏

摘 要：為了掌握神东矿区浅埋煤层8.8 m大采高综采工作面矿压规律和上覆岩层运动规律，指导液压支架选型和顶板管控，以上湾煤矿12402综采工作面为研究对象，采用数值模拟、现场实测和数据分析的方法，总结了8.8 m大采高综采工作面初采期间地表塌陷规律、基本顶初次来压，以及周期来压步距和来压强度规律，分析了周期来压规律与采高、埋深、基岩厚度等因素的关系，对回采期间支架工作阻力频率进行分析;利用正态分布理论对支架选型和适应性进行了评价。研究表明：神东矿区浅埋煤层8.8 m大采高综采工作面上覆岩层呈现“O-X”破断规律，初次来压步距为60 m，周期来压步距17～20.6 m，基本顶初次来压和周期来压步距与采高关系不大，周期来压持续距离、来压范围和来压期间的平均工作阻力随着基岩厚度和埋深的增大而增大，与基岩厚度和埋深成正比，液压支架工作阻力频率符合正态分布，满足使用要求。

关键词：大采高;浅埋煤层;支架选型;正态分布

中图分类号：TD 324

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2020）06-0981-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0607开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Law of ground pressure in 8.8 m large mining

height fully on mechanized face

ZHOU Hai-feng1，2，HUANG Qing-xiang1，HE Yan-peng1

（1.College of Energy Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Shenhua Shendong Coal Group Co.，Ltd.，Shenmu 719315，China）

Abstract：In order to understand the law of ground pressure and the law of overlying strata movement in a fully mechanized mining face with large mining height of 8.8 m in shallow seam in Shendong mining area，and guide the selection of hydraulic support and roof control.The 12402 fully mechanized working face of Shangwan Coal Mine was taken as the research object.Using the methods of numerical simulation，field measurement and data analysis，the law of surface subsidence during the initial mining of the 8.8 m large mining height fully mechanized mining face，the law of first weighting and periodic weighting interval and the strength of the weighting are summarized of the main roof.The relationship between the law of periodic weighting and mining height，depth，the thickness of bedrock and other factors are analyzed，and we analyze the working resistance frequency of hydraulic support during mining，and use the theory of normal distribution to evaluate the support selection and adaptability.The results show：the overburden strata of 8.8 m large mining height fully mechanized working face in Shendong mining area presents “O-X” breaking law，the first weighting interval is 60 m，the periodic weighting interval is 17～20.6 m，the main roof first weighting and periodic weighting interval spacing have little relationship with mining height.The continuous distance of periodic weighting，weighting range and average working resistance during weighting increase with the increase of bedrock thickness and buried depth.The working resistance frequency of hydraulic support conforms to the normal distribution and meets the use requirements.

Key words：large mining height;shallow coal seam;support selection;normal distribution

0 引 言

神东基地作为国家14个大型煤炭基地之一，位于晋陕蒙3省交界地带，煤储量达到3 585.4亿吨，以中厚-厚煤层为主，其中厚煤层所占比例达到51%.矿区煤层厚度8.0 m以上煤层地质储量约20亿吨，主要分布在上湾、补连塔、西湾、大保当等煤矿。特厚煤层采用综采一次采全高，相比分层开采和综放工艺具有回采效率高、工艺简单等优势。而且神东公司做了大量的探索性工作，先后建成了世界上首个5.5，6.3，7.0，8.0 m大采高综采工作面。8.0 m及以上特厚煤层的安全高效开采一直是没有得到很好解决的世界性难题。

8.8 m大采高综采工作面开采技术相比普通的大采高工作面，具有开采扰动范围大、顶板支护难度大、动载矿压明显、易发生片帮冒顶等难题和挑战，亟需研发新技术和装备解决这些难题。很多专家学者针对神东矿区大采高综采工作面矿压规律进行了研究。许家林等开展了7.0 m特大采高工作面关键层运动的模拟实验和矿压实测，提出“悬臂梁-砌体梁”结构交替造成大小周期来压[1-5]。黄庆享对陕北地区5.0，6.0，7.0 m浅埋大采高工作面矿压规律及顶板结构进行了大量的实测分析及系统的理论研究，提出了“等效直接顶”的理论[6-10]。王国法等对金鸡滩煤矿8.2 m超大采高工作面提出了超大采高液压支架合理工作阻力确定的“双因素”控制法[11-17]。杨俊哲认为8.0 m以上超大采高工作面周期来压具有来压步距短、持续时间长、来压区域性明显、动载矿压强烈、来压特征显著、宏观矿压显现强烈等特点，关键层结构单一、赋存层位低、易滑落失稳、上覆顶板整体性破断，是造成浅埋深超大采高工作面矿压显现强烈的主要原因[12]。国内外学者主要针对7.0 m以上大采高综采工作面矿压显现规律做了很多研究[18-24]，但是从埋深、基岩厚度、周期来压范围和来压期间平均工作阻力等角度对老顶初次来压规律和周期来压规律研究的较少[25-26]，利用液压支架工作阻力频率正太分布角度去研究支架选型和适应性评價的也比较少，因此尚未完全掌握8.8 m大采高综采工作面矿压显现规律。

文中基于神东矿区上湾煤矿12402大采高综采工作面回采实践，通过工作面初采和正常回采期间矿压实测数据进行分析，揭示神东矿区浅埋煤层8.8 m大采高综采工作面矿压显现规律，为支架选型和顶板控制提供科学依据。

1 工作面概况

上湾煤矿12402综采工作面为1-2煤四盘区的首采工作面，设计采高8.8 m，走向长度300 m，推进长度5 271.8 m.工作面上覆盖层厚度为115～270 m;上覆松散层厚度为2～23 m，主要是土黄色中细粒风积砂;上覆基岩厚度为104～240 m.采用长壁后退式一次采全高全部垮落进行回采。

12402综采工作面的伪顶为泥岩，抗压强度约11.3～13.2 MPa，普氏系数约1.32，属不坚硬类不稳定型;直接顶为灰白色细粒砂岩，抗压强度约13.3～15.2 MPa，普氏系数约1.35，属坚硬类不稳定型;老顶为灰白色粉砂岩，抗压强度约14.5～36.6 MPa，普氏系数约2.32;直接底为黑灰色泥岩，抗压强度约11.3～13.2 MPa，普氏系数约1.32.煤层顶底板特征见表1.

采用西安煤矿机械有限公司制造的MG1100/3030-GWD型双滚筒采煤机，生产能力为6 000 t/h，装机功率3 030 kW.液压支架选用ZY26000/40/88D型支架。支架中心距为2.4 m，最大工作阻力为26 000 kN。

12402综采工作面的伪顶为泥岩，厚度为0.20～0.52 m，平均厚度为0.38 m，抗压强度约11.3～13.2 MPa，普氏系数约1.32，属不坚硬类不稳定型;直接顶为灰白色细粒砂岩，厚度为2.10～8.07 m，平均厚度为6.54 m，抗压强度约13.3～15.2 MPa，普氏系数约1.35，属坚硬类不稳定型;老顶为灰白色粉砂岩，厚度为5.68～20.34 m，平均厚度为8.89 m，抗压强度约14.5～36.6 MPa，普氏系数约2.32;直接底为黑灰色泥岩，厚度为0.96～1.29 m，平均厚度为1.10 m，抗压强度约11.3～13.2 MPa，普氏系数约1.32，煤层顶底板特征见表1.

2 数值模拟分析

采用中国科学院力学研究所的GDEM数值软件，对综采工作面回采期间上覆岩层运动进行数值模拟分析。煤岩层力学参数详见表2.

数值模拟计算结果如图1所示，12402超大采高工作面推进到13 m左右时，直接顶初次垮落;推进到61 m时，老顶出现初次垮落。推进76 m时老顶第一次周期垮落，动压系数达到1.25.随着工作面继续推进，基本顶进入周期垮落，周期垮落步距在14～18 m之间，来压强度不大。

3 矿压规律

3.1 初采期间矿压规律

为了避免工作面初采期间大面积悬顶突然垮落产生飓风对人员和设备造成伤害，提前对切眼上方顶板进行深孔预裂爆破。工作面推进5 m后开始进行强制放顶，强放后，26#～57#，72#～79#支架，机头、机尾端头架处垮落不完全;推进至16 m时全部垮落，强放整体效果较好。

将12402工作面初采的100 m范围内支架工作阻力制作成如图2所示矿压规律图。工作面推进至28 m时，20#～45#，90#～100#支架上方直接顶开始垮落，支架压力上升到19 000 kN.推进至53 m时，30#～110#支架安全阀开启数量较大，呈现大面积来压、出现局部片帮导致支架梁端距增大、支架立柱下沉的现象。煤壁内响声大，支架最大压力为24 000 kN，来压持续7 m，来压期间最大动载系数为1.45.老顶初次来压步距为64.4 m（含切眼），老顶第1次周期来压垮落步距为71.4 m;数值模拟计算出的老顶初次垮落61 m，第1次周期垮落步距为74 m，两者结果基本符合。

根据图3统计分析可知，综采工作面基本顶初次来压步距总体上随着采高的增大而增加。由于综采工作面初采期间强制放顶效果、工作面宽度、以及埋深等因素的影响，5～8.8 m采高综采工作面初次来压步距大部分集中在45～71 m范围内。

3.2 地表沉陷情况

工作面老顶初次来压垮落，推进6 m后，老顶开始迎来第1次周期来压，18#～105#支架压力上升到18 000 kN以上，35#～50#，80#～85#，90#～105#支架是压力中心区，最大压力达到24 000 kN，来压持续5 m，第1次周期来压步距为11 m.综采工作面继续推进6 m后，迎来第2次周期来压，范围扩大到15#～110#支架，压力中心区随之扩大到25#～105#，最大压力达到26 000 kN，来压持续10.5 m，第2次周期来压步距为16.5 m.由此得出，综采工作面初采期间，上覆岩层经过“O-X”破断后，开始逐渐形成有规律的悬臂梁破断结构。12402工作面推进至126 m时开始出现裂缝，裂缝较小;在随后观测中，裂缝也呈O型裂隙，裂隙基本符合“O-X”型变形规律，裂隙出现在最大超前工作面30 m处。

3.3 周期来压规律

综采工作面回采期间，每割一刀煤采集一次液压支架工作阻力，制作成矿压规律图。实测统计分析得出：当工作面推进至400～500 m时，埋深234 m，基岩厚度220 m，周期来压界限不明显，来压持续距离较长，40#～105#支架来压距离7～14 m，压力正常段较短，5～7 m.机头和机尾段压力正常，基本没有明显的周期来压。20#～40#和80#～115#支架，周期来压步距15～21 m，最大压力为24 000 kN。40#～80#支架周期来压界限不明显，周期来压步距为20～23 m，来压持续距离达到17～20 m，支架最大压力为27 000 kN.

12402综采工作面基岩厚度为130～220 m.回采范围内，从切眼开始，基岩厚度逐渐变薄，对周期来压规律影响很大。对综采工作面从切眼回采到1 300 m范围的周期来压情况进行详细观测，如图4～图6所示。从松散层厚度、基岩厚度、埋深、压力正常段距离、来压持续距离、周期来压步距、正常工作阻力、来压期间平均工作阻力，以及来压面积等方面进行了详细统计和分析（见表3）。

从图4可以看出，12402工作面回采期间，压力正常段距离随着基岩厚度的增大而减小，周期来压持续距离随着基岩厚度的增大而增大。因此，周期来压步距随着基岩厚度的增加而缓慢增加，但变化不大。

从图5可以看出，12402工作面周期来压期间，支架平均工作阻力随着基岩厚度的增加而增大，与基岩厚度成正比。因此，基岩厚度是周期来压工作阻力大小的关键因素。工作面周期来压范围随着基岩厚度的增大而增大，与基岩厚度成正比。当基岩厚度在190左右时，周期来压集中在综采工作面25#～105#支架;当基岩厚度220 m左右时，周期来压集中在综采工作面20#～110#支架。

3.4 液压支架适应性评价

对12402工作面回采范围液压支架压力数据进行統计。按照工作面上覆基岩厚度的不同，统计结果如图6所示。35#～105#支架的平均工作阻力达到19 000～20 000 kN，小于液压支架额定工作阻力26 000 kN.因此，液压支架满足要求。

在工作面回采1 400 m范围内，对支架工作阻力频率和不同埋深进行统计，结果如图7所示。工作阻力在16 965～19 792 kN的频率在61.64%～72.40%，工作阻力在22 619～25 447 kN的频率在1.84%～5.34%，工作阻力在25 447～28 274 kN的频率在1.84%～5.10%，符合正态分布，因此，液压支架额定工作阻力26 000 kN满足要求。

4 结 论

1）现场实测12402大采高综采工作面推进到64.4 m（含切眼）时老顶初次来压，周期来压步距11～17 m.采用GDEM模拟得出，工作面推进到61 m时老顶初次来压，周期垮落步距14～18 m.这与实测结果基本一致。

2）基于现场详细的矿压数据实测统计分析，12402大采高综采工作面回采期间，随着基岩厚度的增大，周期来压持续距离、来压时刻的支架平均工作阻力及来压范围都有所增大。来压时支架工作阻力符合正态分布，其阻力在25 447～28 274 kN的频率在1.84%～5.10%.表明额定工作阻力26 000 kN满足要求，支架选型合理，适应性良好。

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