神达栖凤煤业综放面顶板运动特征与采场矿压规律分析

王瑞杰

(山西忻州神达栖凤煤业有限公司，山西 宁武 036700)

在我国煤炭资源赋存中，厚煤层及特厚煤层煤炭资源占40%以上，随着地质条件较好的煤炭资源逐步开采殆尽，厚煤层煤炭开采逐渐走进大众视野。目前常见的厚煤层开采方法有分层开采和放顶煤开采，其中放顶煤开采具有开采成本低、产能效率高等优点[1-3]。在综放开采过程中，由于一次性采出空间较大，其顶板活动规律与采场矿压显现规律相对复杂，尤其当其倾角较大时更为复杂，工作面顶板的稳定控制直接关系到回采工作的正常进行[4-5]。为此，本文以栖凤煤业51408工作面为工程背景，通过理论计算得到工作面直接顶和基本顶初次来压、周期来压步距及所需的支架控制强度，基于此进行支架选型，同时在工作面回采期间监测支架受力情况，从而揭示综放面采场矿压规律，为工作面布置和回采速度设计提供一定的指导。

1 工程概况

栖凤煤业514采区51408工作面埋深257～283 m，位于井田西南部，工作面开采5号煤层，工作面计划采用走向长壁整层放顶煤采煤法，设计走向长度758 m，倾向长度120 m，煤层厚度12.44～18.00 m，平均值为15.22 m，平均倾角21°。该煤层含夹石1～3层，夹石厚0.15～0.60 m，一般小于0.50 m，属结构简单-中等，为特厚煤层，属稳定可采煤层。工作面伪顶为泥岩、砂质泥岩，厚度0～0.65 m，平均0.25 m，岩性为灰色、灰黑色，质软，属软弱-半坚硬岩石；工作面直接顶为砂岩、泥岩，厚度1.03～5.02 m，平均2.15 m，岩性为深灰-灰黑色，含植物化石，质较软，属软弱-半坚硬岩石；工作面基本顶为中细粒、中粗粒砂岩，厚度7.45～16.27 m，平均11.7 m，岩性为灰白色，质硬，裂隙发育，成分主要以石英为主，属半坚硬-坚硬岩石。

2 综放面顶板运动特征与支架选型

2.1 工作面顶板来压步距计算

2.1.1 直接顶来压步距计算

1) 直接顶初次来压步距为：

(1)

式中:L1表示直接顶初次来压步距，h1为直接顶平均厚度，取2.15 m；σt为直接顶岩石的抗拉强度极限，取2.70 MPa；q为直接顶岩层单位长度的重量及其载荷，直接顶容重取2 500 kg/m3，计算得到：

2) 直接顶周期来压步距为：

(2)

计算得到：L2=8.8 m。

2.1.2 基本顶来压步距计算

1) 基本顶初次来压步距为：

(3)

式中，L3表示直接顶初次来压步距，h3为基本顶平均厚度，取11.7 m；σt为基本顶岩石的抗拉强度极限，取2.70 MPa；q为直接顶岩层单位长度的重量及其载荷，直接顶岩层容重取2 500 kg/m3，计算得到：

2) 基本顶周期来压步距为：

(4)

计算得到：L4=20.5 m。

2.1.3 工作面顶板来压步距预计

根据5号煤层已接近采完的51406工作面矿压观测资料，以及工作面顶板初次及周期来压情况，51406工作面直接顶随采随落，工作面老顶周期来压明显。通过计算并结合51406顶板运动控制情况，预计51408工作面直接顶初次垮落步距为22 m，周期来压步距为8～10 m；老顶初次来压步距为50 m；老顶周期来压步距为21 m。

2.2 液压支架强度的计算与选型

根据顶板压力经验计算公式

P1=NHFR

(5)

式中:P1为顶板压力，N为压力系数，一般6～8，这里取8；H为工作面采高，取2.7 m；F为单架支架承载面积，取6.75 m2；R为顶板岩石平均容重，取2 500 kg/m3。则P1=8×2.7×6.75×2.5=366 t/架。

综上所述，确定采用ZF5500/18/29型液压支架，其额定工作阻力换算为P额=561 t/架>P1，满足要求，具体支架支护参数见表1所示。

表1 ZF5500/18/29型液压支架支护参数

3 现场矿压规律分析

栖凤煤业51408综放面开采时，工作面顶板管理方式采取全部跨落法，工作面中部配置73组ZF5500/18/29支撑掩护式放顶煤液压支架，两端头配置7组ZFG6000/19/30H型四柱支撑掩护式低位放顶煤过渡支架，全面共80组支架(从下向上依次编号)，对工作面顶板采取全面支护管理。回采过程中，采用重庆煤科院研发的KJ693顶板动态监测系统监测了支架受力情况，表2和图1、2给出了工作面上部、中部、下部各5架支架矿压结果汇总数据和统计图。

图1 工作来压强度统计

表2 矿压观测结果汇总

1) 工作面上部矿压监测结果：初次来压步距在51.12～55.97 m范围内，平均步距53.50 m；初次来压强度在25.94～27.83 MPa范围内，平均强度26.69 MPa；周期来压步距在22.09～26.46 m范围内，平均步距24.57 m；周期来压强度在23.40～25.12 MPa范围内，平均强度24.08 MPa。

2) 工作面中部矿压监测结果：初次来压步距在45.23～48.52 m范围内，平均步距47.05 m；初次来压强度在27.16～29.41 MPa范围内，平均强度28.23 MPa；周期来压步距在16.80～19.90 m范围内，平均步距18.69 m；周期来压强度在24.98～26.93 MPa范围内，平均强度25.90 MPa。

3) 工作面下部矿压监测结果：初次来压步距在48.69～51.10 m范围内，平均步距49.96 m；初次来压强度在27.80～30.13 MPa范围内，平均强度29.12 MPa；周期来压步距在20.09～24.45 m范围内，平均步距22.44 m；周期来压强度在25.86～29.28 MPa范围内，平均强度27.02 MPa。

综上所述，现场矿压规律与理论计算结果基本吻合，表明了理论计算的合理性和可靠性。同时，现场实测发现，工作面下部矿压显现相对严重，其初次和周期来压强度最大，动载系数最大，而工作面中部顶板岩层提前破断，来压步距较小。

图2 工作来压步距统计

4 结 语

综放开采一次性采出空间较大，其顶板活动规律与采场矿压显现规律相对复杂，理论计算了栖凤煤业51408工作面直接顶和基本顶初次来压、周期来压步距及所需的支架强度，现场实测了支架受力情况，结果显示，煤层倾角导致工作面下部矿压显现相对严重，其初次和周期来压强度最大，动载系数最大，而工作面跨度较大导致工作面中部顶板岩层提前破断，来压步距较小。