特厚煤层综采面矿压规律及实测分析

郝贵林

（晋能控股煤业集团北辛窑煤业有限公司 山西 忻州 036700）

1 引言

我国煤炭资源丰富，分布范围也较广，并且为国民经济中最重要的化石能源。在煤炭的分类中，通常将煤层厚度大于8 m 的煤层定义为特厚煤层，采用分层开采或放顶煤开采的方法[1]。由于分层开采的采出率较低，存在布置顶底网等繁杂的工序，且开拓的各类巷道较多，生产系统较为冗杂[2-3]。相比之下，放顶煤开采则可一次性采出更厚的煤层，回采巷道的掘进量也小，工作面的回采率较高，因此我国特厚煤层主要采用放顶煤的开采方法[4]。然而，由于放顶煤开采时采高较高，顶底板所受的采动影响较为剧烈，液压支架安全阀时常开启，矿压规律也相应地变得更加复杂。所以，研究特厚煤层综放开采时的顶板来压步距与矿压规律对于工作面的安全生产和正常回采具有极重要的意义[5]。本文以北辛窑煤矿8405 工作面为依托，借助理论分析计算了直接顶和老顶的来压步距。并对开采期间液压支架的工作阻力示数进行了实时监测，通过液压支架的受力变化过程进一步验证并分析了顶板的初次来压和周期来压步距，同时采用液压支架的初撑力、循环末阻力对特厚煤层的矿压规律进行了探讨。以期为综放开采矿压规律的研究提供一定的指导，为实现煤炭的高产高效奠定基础。

2 矿井概况

北辛窑煤矿位于山西忻州宁武县,交通运输较为便利，铁路和公路均与矿区毗邻。井田面积约为12.57 km2，可采煤层累积储量约为2 300 万t。目前主要开采2#煤层，煤层厚度为5.78 m～11.24 m，平均煤厚为9.26 m，煤层为近水平煤层，倾角为2.5°～8°，煤层节理发育，结构较为复杂。现开采的8405工作面走向和倾向长度分别为1 650 m、180 m，倾角为2.9°～4.8°。工作面的综合柱状图如图1所示。

图1 工作面综合柱状图

3 顶板来压步距分析

开采时，直接顶和老顶的初次来压步距：

式中：lc是直接顶的初次来压步距，m；lc是直接顶的厚度，m；σ1是瑝斑岩的抗拉强度，MPa；q是支架所承受直接顶的荷载，kN。lj是老顶的初次来压步距，m；h2是老顶的厚度，m；σ2是粗粒砂岩的抗拉强度，MPa；q是支架所承受老顶的载荷，kN。

在北辛窑煤矿，顶板岩石的抗拉强度为2.65 MPa，顶板岩石的容重为2.5×103 kg/m3，代入式（1）可计算求得直接顶的来压步距为22.1 m。粗粒砂岩的抗拉强度为2.7 MPa，粗粒砂岩的容重为2.5×103kg/m3，代入式（2）可计算求得老顶的来压步距为47.8 m。

而直接顶和老顶的周期来压步距可采用以下公式计算：

因此，通过计算可得lz=9.0 m，lzj=19.5 m。

由北辛窑煤矿已开采完毕的8103 工作面液压支架的示数统计及顶板来压的规律进行分析发现，沿着煤层走向长度方向，直接顶不断冒落，基本顶的周期来压较为显著。因此，根据上述有关直接顶和老顶来压步距的计算结果，可以推测：8405 工作面直接顶和老顶初次来压步距为22.1 m 和47.8 m，周期来压步距分别为9 m和19.5 m。

4 矿压显现分析

北辛窑矿8405 工作面采用综合放顶煤的开采方法，工作面长度为180 m，液压支架中心距为1.75 m，共布置103架液压支架。其中在工作面两端头分别布置5 架支掩式过渡支架，型号为ZFG15000/33/50；在中部布置93 架支掩式液压支架，型号为ZF13000/33/50。同时在液压支架的立柱上放置立柱的压力测量设备，实时观测液压支架在煤层开采中的受力情况。开采时，按照滚筒采煤机的割煤方向对液压支架进行编号，对工作面液压支架的运行姿态和示数进行实时监测。为了使数据具有代表性且易处理，现从2 号支架开始每隔10架设置为液压支架工作阻力监测点，即在支架编号为2、12、22、32、42、52、62、72、82、92、102 设置监测点，共计11个。利用不同位置的液压支架示数对开采区域的矿山压力变化规律进行分析。

4.1 老顶来压分析

煤层顶板周期来压通常采用液压支架循环末阻力的平均值和均方差的累加值来表示。由已有的老顶来压理论可得，老顶周期来压公式为：

式中：py是老顶来压期间支架的压力值；pz是液压支架循环末阻力的平均值；σz是液压支架循环末阻力的均方差。

液压支架监测装置自动实时收集了所有周期的循环末阻力数值，现选取最近三个月的监测数据进行研究，对工作面推进度从20 m 到295 m 的阶段进行分析。选取开采期间液压支架在循环推进时的末阻力变化情况，下面以52#支架为例绘制支架末阻力与推进度之间的关系图，如图2所示。

图2 52#支架的循环末阻力变化情况

由图2 及支架循环末阻力的统计结果可以看出：开采时初次来压的步距范围大约是46.5 m到50.3 m之间，平均为48.4 m。在此期间，监测点各液压支架的循环末阻力为9 031.4 kN，是此批液压支架设计工作阻力的75.26%。随着开采的进行，老顶出现了21次周期来压，其步距在18.2 m 左右，范围大约是12.6 m 至23.7 m，浮动较为明显。在以上来压监测期间，老顶的动载系数变化范围从1.15到3.24，均值为1.68。

4.2 液压支架受力分析

根据监测得到的液压支架行走时受力的数据，统计在工作面推进过程中支架的初撑力及循环末阻力，剔除由于设备损坏和不稳定而造成监测数据较少的22#、72#、82#支架监测数据，其余支架的数据统计如下表。

通过表1 的监测值可以看出：液压支架的初撑力在3 168 kN～3 517 kN，为额定初撑力的40.02%～44.42%；初撑力的平均值为3 351 kN，相当于是额定值的42.33%，属于较小的数值。液压支架的循环末阻力在6 198 kN～6 648 kN，为额定值的51.65%～55.13%；平均值为6 454 kN，相当于是额定值的53.79%，说明有较大的富余量。而液压支架的最大循环末阻力却在11 068 kN～11 544 kN，占到了额定初撑力的90%以上，甚至达到了96.2%。体现了开采时液压支架的示数虽小，然而出现来压时，液压支架受力急剧增加，也恰好与上节来压时较大的动载系数相吻合。

表1 液压支架初撑力和循环末阻力监测值

4.3 支架示数的频率分布

通过统计开采期间各个液压支架的示数，现在以1 500 kN 为分度值进行示数的区间统计，最终折合成百分占比如表2所示。

表2 液压支架工作阻力的百分占比

同样，下面以52#支架为例绘制支架工作阻力占比的频率分布图，如图3所示。

图3 52#液压支架工作阻力频率分布图

由表2和图3可以看出：工作面液压支架的工作阻力示数为正态形分布，且处于较低工作阻力的次数和时间较多。工作阻力主要集中在3 000 kN～9 000 kN，处于大于9 000 kN的工作阻力分布频率较低。

5 结论

当特厚煤层采用综采放顶煤的开采方法时，煤层顶板覆岩的运移规律较为复杂，工作面矿压显现较为明显。本文通过理论计算得到了北辛窑煤矿8405 工作面老顶的初次来压及周期来压步距分别为47.8 m和19.5 m，通过对工作面液压支架的工作阻力值进行了统计分析，得到了工作面的来压步距、支架初撑力和循环末阻力的分布情况、工作阻力集中的范围，其中初次来压及周期来压步距分别为48.4 m和18.2 m。由于理论计算存在对现场实际开采情况的适当简化，且实际顶板是非均质性岩体，导致理论计算结果与现场工程实测存在较小的偏差，但理论计算结果仍可用于指导实际生产。