“双软”煤层工作面矿压显现规律及顶板活动特征研究

于健浩，李高建，李 岩，刘 鹏，杨竹军

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 101300；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；3.山西长平煤业有限责任公司，山西 晋城 048000)

“双软”煤层是指煤层及直接顶强度低、裂隙发育，回采期间煤层及顶板岩层易发生失稳破坏的煤层条件[1，2]。山西长治、高平地区位于沁水煤田东南部，广泛赋存3#煤层[3，4]，煤体普氏系数在1.2左右，直接顶为泥岩或砂质泥岩，普氏系数在2左右，部分地区受构造影响，煤体和直接顶岩层强度进一步降低[5，6]。该地区3#煤层厚度普遍在5m以上，最厚达7.5m，属松软厚煤层[7]，部分矿井采用大采高开采工艺，如潞安李村煤矿、王庄煤矿，晋能控股赵庄煤矿、寺河煤矿、长平煤矿、三元中能煤矿等，由于煤层及直接顶松软，煤壁片帮、端面冒顶问题突出[8-12]，导致开采效率降低，治理片帮冒顶成本大幅提高，个别矿井受开采条件限制转为综放工艺开采3#煤层。

由于“双软”煤层顶板强度低，完整性差，在工作面回采过程中，支架上方顶板破碎，移架后液压支架无法达到额定初撑力，导致支架对顶板控制效果减弱，工作面来压期间，支架无法有效控制顶板下沉，造成煤壁片帮、端面及架间漏冒问题突出[13-15]。同时，该类型顶板条件下，在工作面后方难以形成有效的承载结构，工作面矿压显现较弱，呈现明显的分段局部来压特征，规律性差，工作面顶板管理难度较大。

长平煤矿5302工作面采用综采放顶煤开采工艺，煤层平均厚度5.64m，工作面长度300m，走向长度1806m，煤层埋深超过500m。根据煤岩物理力学试验测定，煤层硬度系数为0.79，泥岩直接顶硬度系数2.24，底板粉砂岩，硬度系数4.62，属典型的“双软”煤层，煤层综合柱状如图1所示。工作面回采期间，两巷大变形，工作面矿压异常显现问题突出，严重制约了工作面开采效率。为了研究“双软”煤层工作面矿压显现特征及顶板活动规律，以长平煤矿5302综放工作面为研究对象，在传统的矿压数据分析的基础上，结合微震监测手段，分析顶板活动层位及范围[16]，掌握“双软”煤层条件矿压规律及覆岩运移特征，为类似条件矿井顶板管理提供借鉴。

图1 综合柱状图

1 “双软”煤层矿压显现特征分析

1.1 矿压监测系统布置情况

长平煤矿5302工作面倾斜长度295m，共布置171台液压支架，中间架型号ZF11000/20.5/38D，采用天玛电液控系统采集矿压数据并上传至地面数据服务器，工作面走向可采长度1509m，回采巷道布置KJ21巷道无线矿压监测设备，每50m布置一组测站，包括一台顶板离层仪、一台帮锚杆测力计、一台顶锚杆测力计和一台煤体应力计，并分别在初切眼前方150m和300m布置两组煤体应力集中测站，分别监测3～17m共8个不同深度煤体应力变化情况[17]。

1.2 工作面矿压显现规律分析

为了分析“双软”煤层条件工作面矿压特征，选择2020-09-11—2020-10-14工作面正常回采期间矿压数据进行分析，分别对工作面下部10#、15#支架，中部70#、80#、90#支架，上部155#、165#支架工作阻力进行分析。

分析支架压力数据可知，工作面矿压显现不明显，该时间段内工作面共推进57.8m，各支架所监测到的周期来压平均仅有2次，且除个别支架外，来压强度整体偏弱。非来压期间支架工作阻力偏低，平均值不足4000kN，远低于额定初撑力8900kN。工作面中部支架工作阻力明显高于机头机尾处支架，矿压显现特征呈现为中间高两端低的整体趋势。

结合其他正常回采时期矿压数据分析结论，得出5302重型综放工作面矿压显现特征为：

1)工作面周期来压具有影响范围小、影响时间短、局部性强等特征，来压步距4.9～28m之间，平均步距16m。

2)工作面整体来压不显著，周期来压规律性较弱。根据微震监测数据显示，工作面顶板存在超前预破裂现象，顶板完整性变差，造成工作面顶板相对破碎，支架工作阻力偏低，且进入采空区后顶板及时充分垮落，悬顶范围较小，使得工作面整体来压不显著，周期性较弱。

3)工作面顶板分区破断现象明显，矿压整体呈现中部高—机头机尾低的特点。由于工作面长度接近300m，属超长工作面，工作面顶板呈现分区破断特征，导致顶板来压在推进方向和倾斜方向均存在明显的差异性[18，19]。

1.3 巷道矿压显现规律分析

两巷顶锚杆应力与煤体应力变化情况统计结果见表1、表2。

表1 顶锚杆应力情况统计表

表2 煤体应力情况统计表

分析巷道锚杆应力、煤体应力数据可知，锚杆应力最远影响范围可达241.5m，一般在200m左右，在超前80m时增幅提升。煤体应力受超前动压影响最远可达230m，在超前70～90m时增幅提升。由此可以看出，超前动压影响范围在工作面前方30～90m范围，在此区域内，巷道压力增幅明显升高。因此，可以大致将工作面超前动压影响区分为三个区域：①超前应力显著影响区，位于工作面前方0～30m；②超前应力扰动区，位于工作面前方30～90m；③超前应力覆盖区，位于工作面前方90～200m。

2 “双软”煤层顶板活动规律研究

统计2019年9月至2021年4月的微震事件共计6290次，总能量1.86×106J，平均能量295.5J，以3次方以下小能量事件为主，占比达到95.89%，该时间内工作面累计推进1147.5m，平均每米释放能量1.62×104J，微震事件平面分布如图2所示，各能量区间占比如图3所示。

图2 微震事件平面分布

图3 5302工作面微震能量区间分布

2.1 工作面走向顶板活动规律分析

沿工作面走向微震事件分布如图4、图5所示。工作面主要回采影响范围为工作面前方260m至面后58m，微震事件主要分布在工作面前方，峰值位于工作面前方120m处，向两侧逐渐递减，整体呈正态分布。微震活动表明顶板活动显著区位于工作面前方80～200m范围内。同时工作面两巷附近大能量微震事件较多，且绝大多数集中在工作面超前区域。

图4 微震事件沿工作面走向平面分布

图5 微震能量沿工作面走向分布情况

2.2 工作面倾向顶板活动规律分析

工作面倾向微震事件分布如图6所示，微震事件分布偏向53023、53021两巷周边，在两巷附近均存在一个微震能量的峰值，53023巷微震能量高于53021巷，53021巷侧的微震活动和能量峰值位于巷道向外30m的巷道煤柱内；53023巷侧微震活动和能量的峰值位于工作面内50m处。微震活动在工作面倾斜方向存在明显的差异。

图6 微震事件沿工作面倾向分布情况

2.3 工作面垂向顶板活动规律分析

工作面垂直方向微震事件分布如图7、8所示。工作面前方顶板微震事件频次及能量远高于后方，采空区以小能量底板微震事件为主。顶板活动的主要区域在煤层底板下20m至顶板上80m，其中底板下方10m至顶板上方20m最为集中，但以小能量事件为主，顶板上方30-80m层位微震频次相对较少，但能量较高，表明该层位的煤岩体破裂强度较其他层位剧烈，易产生大能量微震事件。

图7 微震事件沿垂直方向剖面分布

图8 微震能量沿垂直方向分布

2.4 基于微震能量的矿压显现特征原因分析

由以上矿压及微震监测数据分析结论，可以工作面矿压异常的主要原因：

1)顶板主要表现为超前破断，且影响范围较大，顶板破断以中小能量事件为主，在工作面超前120m左右为顶板活动峰值区域，工作面及采空区后方顶板活动较弱，鲜有大能量事件，表明工作面顶板超前破断后，进入工作面后方及时垮落充填采空区，采空区顶板结构相对稳定，充实率较高，阻隔了上覆顶板的进一步运动，这是工作面矿压显现整体较弱的主要原因。

2)沿工作面走向超前微震事件较多，主要影响区覆盖了工作面前方200m范围，表明采动影响范围较大，从微震能量的角度解释了导致两巷应力起增点较远、超前应力影响范围较大的原因。

3)工作面支架承受的顶板压力主要由基本顶破断岩块及覆岩动载提供，覆岩动载荷的降低必然减缓支架承受的顶板压力。工作面两巷附近大能量事件较多，且多发于工作面超前位置，表明两巷超前顶板活动相对剧烈，能量提前释放，导致两巷附近顶板完整性降低、动载相对缓和，因此，矿压呈现中间高两端低的整体趋势。

3 结 论

1)长平5302工作面矿压显现规律为：整体强度较弱，存在大、小周期来压现象，工作面顶板分区破断特征显著，表现为明显的分段局部来压，矿压呈现中部高—机头机尾低的整体趋势。

2)两巷超前影响范围较大，受工作面超前动压影响最远可达200m以上，基于锚杆应力及煤体应力数据分析结果，将超前应力影响区分为：①超前应力显著影响区，面前0～30m，即应力快速升高区；②超前应力扰动区，面前30～90m，巷道压力增幅明显升高；③超前应力覆盖区，面前90～200m，各项应力开始缓慢增加。

3)基于微震监测数据分析结论，得出了5302工作面顶板活动范围及层位，顶板活动显著区位于工作面前方80～200m、顶板上方0～80m，从微震能量的角度解释了工作面矿压显现强度弱、超前应力影响范围大及倾斜方向矿压存在差异性的原因。