浅埋煤层采场矿压规律及支架合理工作阻力研究

（阳煤集团左权永兴煤化有限责任公司 山西 045000）

在我国神东地区有着丰富的浅埋煤层非常便于开采，产量非常高。与深埋煤层相比，浅埋煤层的研究比较少，能够获得的理论也比较少，这使得在浅埋煤层开采中仍有出现安全事故的可能性。在浅埋煤层开采时，对地表的扰动比较大，矿压显现的更加剧烈，对煤矿的安全开采十分不利。为了能有效地指导浅埋煤层的安全开采，非常有必要对采场的矿压显现规律，从而确定液压支架的工作阻力。

本文以石圪台煤矿31201工作面为研究背景，通过力学实验、相似模拟实验[1-3]、现场实测与理论分析等方法对其矿压显现规律进行了深入的研究。本文首先进行了相似模拟材料的配比实验研究[4]。建立了不同材料配比号与试件力学参数之间的关系，为相似模拟材料配比提供依据。其次，根据石圪台31201工作面地质条件及开采技术条件，依据相似模拟实验、现场实测、理论计算等方法研究了工作面过上覆采空区及煤柱区的矿压显现规律，得到了工作面的初次来压步距、周期来压步距及支架的工作阻力等数据。通过相似模拟实验可知：工作面上覆岩层为采空区时，初次来压步距为48m，周期来压步距平均为14m，采动过程中模型支架工作阻力小于额定工作阻力；工作面上覆为煤柱区时，矿压显现剧烈，而当工作面在出煤柱阶段矿压显现非常剧烈，支架峰值达到31950kN，是额定工作阻力的1.78倍。同时，依据煤层底板压力传感器实测分析可知，工作面超前支护距离约为20m。通过现场实测分析可知：31201工作面上覆为房采采空区时，初次来压步距48.6m，周期来压步距为11.1m，来压期间支架平均支护阻力38.7MPa（15209kN），非来压期间支架平均支护阻力30MPa，动载系数1.29。工作面上覆为煤柱时，为了防止压架事件，此时应对煤柱比较集中区域进行爆破处理，弱化煤柱，削弱煤柱应力集中。经现场验证可知，该方法可行，但为保证安全，仍需在工作面利用液压支柱加强支护，并结合其它监测手段预防压通过对31201工作面相似模拟实验及现场实测可知，二者结果基本吻合，研究结果为预防压架事件提供了参考，对类似煤层的安全开采具有-定的借鉴意义。

1.浅埋煤层采场矿压规律的研究

当工作面促进上部覆盖区域破坏工作面31201顶部的完整性时，减小压力台阶的初始距离，在前进到4m后，采用猎枪对煤层进行预裂。工作面初压时不明显，当工作面移动到4.8m时，局部压力达到42.6MPa，地面压力显示不多，煤壁上有少许破裂；当工作面移动到20.8m时，井内压力形态也不明显，中部开始加压，压力峰值达到40.5MPa，当工作面移动到40.8m时，压力峰值达到45.8MPa，在加压过程中，工作面出现40-110个小辅件，辅件深度达到100mm，同时按压安全阀支架的开启速度达到10%。与前两次加压相比，第三次加压是工作面的第一次加压，工作面31201的第一次加压步骤为48.6m。

（1）石圪台煤矿31201工作面初次来压步距48.6m，工作面在初次来压之前，初压步距为48.6m，支架对初压的工作阻力通常在27-35MPa之间，当支架在工作面初压阶段的峰值达到45.8MPa（1800kN），等于液压支架的额定工作阻力时，液压支架的液压支架阀开启系数达到10%，说明工作面处于初压阶段，压力上的压力不尖锐。

（2）采气房下工作面处于推进过程中，加压平均时间为11.1m，连续平均距离为4.6m的压力，加压时平均支撑阻力为38.7MPa，不完全加压时平均支撑阻力为30MPa，动载荷比为1.29。

（3）在上覆采空区下，支架工作阻力主要分布在25-30MPa占总数据，支架工作阻力主要在25-30MPa内延伸，占总数据的47.2%，液压支架初力在25.2-30MPa内，说明支架初始强度低，应该增加初始强度；30至35个主生产计划—总数据的21.4%；35至40个主生产计划—总数据的12.4%；40到45MPa，占总数的10.3%；蒸馏器占总数据的7.9%。40MPa以上40“120”支架读数的数据分别为14.8%、20.9%、23.4%、23.5%、17.3%、17.3%、24.7%、13.5%、14.8%，据统计可知，工作面有拉长的趋势，两端压力低，中间压力较大。

（4）在煤柱下开采时，工作面上爆炸处理后的片帮不会急剧出现；当工作面从煤柱中出来时，由于上覆煤柱的电压集中，导致工作面上的覆岩被普遍切割，当工作面从煤柱中出来时，直接延伸到2倍煤层厚度。上方覆盖的岩石，甚至更多地延伸到地表，压力峰值达到53.7MPa。煤柱上部覆盖过度弱化期间工作面上的液压支架减少，但地面压力仍然相对较强，因此工作现场仍然需要采取一个液压支架来加强工作面，以避免压力架的事件。

（5）工作面煤柱超载产生的压力架机理分析表明，煤柱出口阶段压力架的根本原因是结构失稳和滑开。

（6）在工作场所，为避免压架事件的出现，在煤柱下采煤时，人工进入2-2煤层采空区，对相对稳定的顶板区域进行爆破处理，削弱煤柱，降低煤柱的电压浓度，其次，应用微震监测技术，获取微震空间的能量变化规律和频率，通过煤载预测工作面过渡过程中的动载压力[5-7]。

2.浅埋煤层采场支架合理工作阻力的研究

支架的初始支撑力的确定。通过对地面40多个综采工作面的测量，经过分析，合理的初撑力与名义工作阻力的比值为60%-85%，工作面的测量也表明，支架的实际初撑力与名义初撑力的比值平均只有71%，这意味着需要保证工作面支架的实际初撑力达到理想值，初撑力的项目值应该很高[8-9]。因此，本实验支架的初始强度与名义初始力之比可接受78%，比实测值高6个百分点。类似地，基于相似性标准的模拟支撑的标称初始力的安装也反映了原型支撑的标称初始强度。实验支持的初始阶段。支撑名义初始强度为4680kN。已知大多数初始支撑位于标称初始支撑附近，不到标称初始支撑总数的68%。从劳动阻力分布的频率可知，一小部分工作阻力支架仍处于初始受力状态，大部分工作在5000kN左右，飞越次数约为65%。约8%的支撑工作在约5400kN，因为屋顶对压力标准的阻力为5219kN，很明显，这些大约8%的飞越是在按压屋顶时的支撑载荷。而超过公称劳动阻力6000kN的份额仅为2.8%，说明在正常情况下，公称劳动阻力6000kN的支架在压工作面顶板时可以满足管理要求。虽然支架的工作阻力不适中，但大多数支架仅在初始支架和初始支架上方10%的阻力之间工作。在一般情况下，额定阻力为6000kN的支架工作面提升距离为95.6m，已过5次加压循环，当采动载荷增加到老顶时平均为1.13，最大为1.34，该综采工作面支架载荷增加率平均较小，支架稳定。标称工作阻力为6000kN的支架在工作面顶板受压时，能满足管理要求；虽然支架的操作阻力不高，但大多数支架仅在初始支架和初始支架上方10%的阻力之间工作。工作面初始压力所涉及的岩石最大厚度为8-9m，包括直顶，有时参与岩石的厚度约为4m，阻力支架大多作用于初始力。标称阻力为4800kN的支架工作面的前进距离为980m，已通过5次压制循环；大多数周期压力下安全阀支架开启速度快，标称工作阻力4800kN的支架不能有效控制顶板受压，不仅支架会被压碎，而且支架节点会严重损坏[10-12]。

3.小结

浅埋煤层采场矿压显现具有其特殊性规律，超越了传统的开山长墙压力理论的解释。压力特征的规律与一个小角落煤层长壁-薄岩石-深层土壤岩石，小角落煤层-固体屋顶和其他条件有关，这表明，下降的台阶是由一个关键层破坏不稳定，对岩层有一个结构的影响[6]。借助于这种模拟实验和逐步分析的数值模拟结果表明，顶板的破坏是拉破坏，旧顶板的第一次破坏具有不对称性，旧部分周期性破坏后有可能形成不稳定的铰链结构。系统地研究了旧岩混淆处的揉皱和摩擦特性，确定了定量分析顶板结构的关键参数—岩块端部的角揉皱率和摩擦系数；阐述了小煤层底板支架处于“失稳压力”状态，在顶板荷载的定义中引入了荷载传递系数，根据支架随移动的岩石一起移动的观点，介绍了底板扣件阻力的确定方法和计算公式。分析了影响扣件阻力的因素，指出了控制屋面的经济方法。