大倾角工作面矿压分析及预警研究

岳学伟 YUE Xue-wei

（国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，银川 751411）

0 引言

随着煤炭需求的日益增加，近水平、缓倾斜煤层逐渐开采殆尽，大倾角煤层的开采越来越多。然而大倾角煤层的开采仍存在一些未解决的技术难题。针对大倾角开采的技术难题，近年来不少学者对大倾角煤层开采采场顶板结构、工作面沿走向矿压显现特征以及围岩灾害防治技术等相关理论进行了大量研究。但对工作面沿走向矿压显现规律研究相对较少，本文利用支架电液控数据及现场实测相结合的方法，对某煤矿220705综采工作面煤层开采过程中工作面综采区域矿压分析及预警进行研究，旨在进一步确定支架载荷的分区特征，以便于提前做好顶板控制预警，防止顶板事故的发生。

1 工作面及基本支架参数

某矿220705工作面及其基本支架主要特征参数见表1。

表1 工作面及基本支架参数

2 工作面区域顶板周期来压特征统计

220705工作面共布置96台支架，此次分析，计算了工作面正常推进158.9-649.8m（约209个割煤循环）过程中8个区域工作阻力，统计工作面机头区域（1-20#支架）、中部1区（21-30#支架）、中部2区（31-40#支架）、中部3区（41-50#支架）、中部4区（51-60#支架）、中部5区（61-70#支架）、中部6区（71-80#支架）、机尾区域（81-96#支架）共96个支架的工作阻力；以20、16、10、10、10、10、10、10台支架宽度作为1个分析区域宽度，并以区域内全部支架同一循环工作阻力均值变化特征，研究工作面区域矿压变化规律。

工作面区域顶板周期来压特征计参数主要有：来压时支架工作阻力判据来压值、顶板稳定运动（非来压）步距及支架循环末阻力、来压开始和结束时刻、顶板显著运动（来压持续）步距和支架循环末阻力、顶板周期来压步距以及支架动载系数等。

分析数据可知，工作面推进158.9-649.8m过程中，机头区域（1-20#支架）、中部1区（21-30#支架）、中部2区（31-40#支架）、中部3区（41-50#支架）、中部4区（51-60#支架）、中部5区（61-70#支架）、中部6区（71-80#支架）、机尾区域（81-96#支架）分别经历了5、7、11、8、4、8、6、1次完整的老顶周期来压。

3 工作面区域顶板来压步距分析

3.1 工作面区域顶板周期来压步距

①顶板周期来压步距变化范围为27.9-268.8m，均值为83.6m，折合割煤刀数平均97刀；顶板周期来压步距均方差为0.0-125.8m，其中机头区域顶板周期来压步距变化范围最大，为3.8-324.8m。

②机头区域来压步距3.8-324.8m，均值为77.4m；中部1区来压步距10.2-124.2m，均值为43.1m；中部2区来压步距5.1-247.2m，均值为38.2m；中部3区来压步距11.2-243.2m，均值为55.9m；中部4区来压步距16.6-329.6m，均值为113.8m；中部5区来压步距3.8-256.8m，均值为44.0m；中部6区来压步距3.8-86.4m，均值为27.9m；机尾区域来压步距268.8-268.8m，均值为268.8m。

3.2 工作面区域顶板相对稳定运动步距

①顶板相对稳定步距（也称非来压步距）变化范围为22.7-208.0m，均值为63.2m，折合割煤刀数平均73刀；顶板相对稳定步距均方差为0.0-101.4m，其中机头区域顶板相对稳定步距变化范围最大，为2.4-264.0m。

②机头区域来压步距2.4-264.0m，均值为61.9m；中部1区来压步距6.4-77.6m，均值为32.6m；中部2区来压步距3.2-207.2m，均值为29.3m；中部3区来压步距8.0-184.8m，均值为40.9m；中部4区来压步距10.4-208.8m，均值为76.2m；中部5区来压步距2.4-203.2m，均值为33.8m；中部6区来压步距2.4-84.0m，均值为22.7m；机尾区域来压步距208.0-208.0m，均值为208.0m。

3.3 工作面区域顶板显著运动步距

①顶板显著运动步距变化范围为5.2-60.8m，均值为20.5m，折合割煤刀数平均24刀；顶板显著运动步距均方差为0.0-48.1m，其中中部4区顶板显著运动步距变化范围最大，为6.2-120.8m；

②机头区域来压步距1.4-60.8m，均值为15.5m；中部1区来压步距2.4-46.6m，均值为10.5m；中部2区来压步距1.9-40.0m，均值为8.9m；中部3区来压步距2.4-58.4m，均值为15.0m；中部4区来压步距6.2-120.8m，均值为37.6m；中部5区来压步距1.4-53.6m，均值为10.2m；中部6区来压步距1.4-11.2m，均值为5.2m；机尾区域来压步距60.8-60.8m，均值为60.8m。

3.4 工作面区域支架循环末阻力

支架循环末阻力是支架工作阻力是否满足控顶要求的主要评判标准。

①非来压时，工作面支架循环末阻力为5704-107723kN，均值为18837kN，占额定工作阻力（10000kN）的57%-1077%，平均188.37%；

来压时，工作面支架循环末阻力为6452-435672kN，均值为60853kN，占额定工作阻力（10000kN）的65%-4357%，平均608.53%。

②非来压时，工作面机尾区域平均末阻力最大，机头区域平均末阻力最小；

来压时，工作面机尾区域平均末阻力最大，机头区域平均末阻力最小。

③非来压时，支架循环末阻力均方差均值为9233kN，占额定工作阻力的92.33%；来压时，支架循环末阻力均方差均值为13320kN，占额定工作阻力的133.20%。

工作面全部支架循环末阻力（顶板压力）均以4000kN作为来压判定值标准（大值标准）。

3.5 支架动载系数

顶板运动产生了支架工作阻力及其变化，可以用来压前和来压时支架上的顶板压力差异来描述顶板运动对支架工作阻力的影响。动载系数KD=来压时支架工作阻力／来压前支架工作阻力。

①区域动载系数为1.1-6.2，均值为1.8，机尾区域支架动载系数均值最大，为6.2，机头区域支架动载系数均值最小，为1.1。

②一般认为动载系数KD＜1.2为来压不明显；KD=1.2～1.5为来压明显；KD=1.5～2.0为来压强烈；KD＞2为来压非常强烈（超强烈）。由于220705工作面顶板来压时支架动载系数均值为1.8。因此，可以认为220705工作面矿压显现为来压强烈。

4 前期工作面矿压分析和主要结论

4.1 工作面分区及来压线

本工作面共布置96台支架。以若干个相邻支架作为一个区域，全工作面共划分成头三角1区、尾三角1区和中部6区共8个矿压分析区域。

取支架电液控矿压数据作为矿压分析基础信息，定义矿压分析区域内全部支架循环末阻力及其变化特征作为区域顶板来压显现的主要标志，定制一个来压线值，支架循环末阻力大于来压线认为顶板来压（显著运动），小于来压线为顶板不来压（相对稳定运动），8个区域有各自不同的来压判定值标准（个性化标准）。

4.2 矿压大数据分析主要成果

计算了工作面正常推进500.2-649.8m（2020年12月1日中班至2020年12月16日中班）149.6m（约173个割煤循环）过程中全部8个顶板区域支架工作阻力及来压情况，工作面顶板平均经历了6次周期来压。

本文列出了近期6个顶板来压特征值，见表2。由表2可知：

表2 大数据顶板区域来压特征（500.2-649.8m）

①8个区域顶板来压线值为6181-253699kN（19.2-788.6MPa）。其中，机尾区域和中部4区来压线最高，分别为253699kN（788.6MPa）和7638kN（23.7MPa）。

②顶板周期来压步距均值50.8m，相对稳定步距均值为32.4m，显著运动步距均值为18.3m，区域动载系数均值为1.8，来压显现明显，离散性较大。

③工作面不同部位顶板来压显现有明显差别，来压强度6579-435672kN（20.5-1354.3MPa）。矿压显现的区域主要集中在机尾区域和中部4区，来压强度分别为435672kN（1354.3MPa）和7848kN（24.4MPa）。

④单支架工作阻力超额定工作阻力90%（来压强烈）的比例，见表3。

表3 单架顶板强烈来压以上显现特征（500.2-649.8m）

⑤单支架动载系数超1.5（来压强烈以上）的比例，见表3。

5 工作面区域来压预警分析

5.1 工作面区域来压预警约定

来压预警是根据当前工作面推进步距至649.8m一刀煤之前的矿压大数据来压分析，甄别目前割煤刀以及预警此后1-3刀割煤时顶板来压情况，见表4。

表4 最大来压强度2个区顶板来压预警

5.1.1 当前割煤刀来压甄别

①统计工作面8个区域。其中0个顶板区域来压。来压区域宽度占比0%。

②当前割煤刀时顶板压力最大的2个重点区域分别为：机尾区域不来压，来压强度5514kN（17.1MPa）；中部1区不来压，来压强度5400kN（16.8MPa）。

5.1.2 未来1-3刀割煤时来压预警

应判定每刀割煤时下列顶板来压参数。未来1刀时：

①统计工作面8个区域。其中4个顶板区域来压，来压区域宽度占比50%。

②预警来压强度最大的2个重点区域：机尾区域超强来压，预警级别为III级，红色预警，来压强度120216kN（373.7MPa），动载系数KD=1.71：中部4区来压明显，预警级别为I级，黄色预警，来压强度9321kN（29.0MPa），动载系数KD=1.42。

未来2刀和3刀时：工作面分别有6个和5个区域顶板来压，见图1。

图1 顶板压力综合分析图

注：红色（Ⅲ级预警），表示超强来压—区域支架工作阻力大于额定工作阻力的99%，支架循环活柱缩量明显，或支架动载系数KD≥2.0；紫色（Ⅱ级预警），表示强烈来压—区域支架工作阻力为额定工作阻力的90%～99%，或支架动载系数KD≥1.5；黄色（Ⅰ级预警），表示明显来压—区域支架工作阻力大于来压线但小于额定工作阻力的90%，且支架动载系数KD：1.1～1.5；绿色（〇级预警），表示不来压—区域架工作阻力小于来压线，或支架动载系数KD＜1.1。

③区域内超50%支架来压且KD≥1.1时，判定为明显来压；超过2个支架为强烈来压或KD≥1.5时，判定为强烈来压；当超过2个支架为超强来压或KD≥2时，判定为超强来压。详细信息见表5。

表5 区域来压预警统计表（未来1刀）

5.2 顶板来压预警综合图

综合图反映采场推进方向3个位置顶板来压状态，见图1。①采空区：2色彩云图表示工作面后方采空区（500.2-649.8m）内96台支架上方的6-7个顶板周期来压跨度范围的顶板压力分布情况。②当前煤壁区：用方形4色块表示当前煤壁区内区域顶板压力情况。统计工作面8个区域，其中红色预警的有0个区域；紫色预警的有0个区域；黄色预警的有0个区域。③预测区（1刀）：用圆形4色块表示预测区内区域顶板压力预测情况。统计工作面8个区域，其中红色预警的有1个区域；紫色预警的有0个区域；黄色预警的有4个区域。

6 小结

本文以支架电液控矿压数据作为矿压分析的基础，对工作面区域顶板周期来压步距、稳定运动步距、显著运动步距、支架循环末阻力进行了分析，研究了工作面推进过程中8个区域支架平均循环末阻力分布曲线，制定了8个区域来压判定值标准（个性化标准），指出了工作面来压的显现规律，对工作面精准的控制顶板来压，防止顶板事故起到了显著的指导作用，实现了综采工作面煤层开采过程中工作面综采区域矿压分析及预警。