对浅埋深大采高工作面的矿压规律的研究

1 立项背景

神东矿区是我国最大的煤炭生产基地之一，其矿区虽然煤层埋深浅、倾角小，赋存稳定，开采条件比较好，但矿井生产实践表明，工作面采高加大，工作面矿山压力显现没有因煤层埋藏浅而缓和，相反相当剧烈，其主要特点是工作面来压表现为煤层上覆盖基岩全厚度切落，导致工作面顶板出现台阶下沉，支架倒架，支架压死。因此如何高效、高回收率、安全的开采这类特厚煤层是神东面临的重要问题。因此，神东矿区开发中的经验及其研究和成果，将为采区顶板岩层控制提出需要解决的新课题。

2 主要研究内容

综合现场调研和实测、计算机数值模拟、理论分析等研究手段，对薄基岩浅埋深厚煤层大采高综采工作面覆岩破断形成的结构、矿压显现规律、支架工作阻力以及运转特性等进行系统研究。内容如下：（1）针对上湾煤矿12106综采工作面煤层赋存条件和生产条件，依据上湾煤矿12106综采工作面岩体力学特性，采用数值模拟方法研究浅埋深大采高条件下的采场开挖后上覆岩层移动破断规律。（2）对上湾煤矿12106大采高综采工作面进行矿压观测，对上湾煤矿12106综采工作面液压支架工作阻力数据的现场实测记录与分析来判定初次来压与周期来压的步距及强度，进而来推断上覆岩层的破断和移动规律，同时对支架的运转特性、支护性能等参数进行分析。

3 主要研究结论

本文以神华集团上湾煤矿12106综采工作面为研究平台，综合现场调研和实测、计算机数值模拟、理论分析等研究手段，对薄基岩浅埋深厚煤层大采高综采工作面覆岩破断形成的结构、矿压显现规律、支架工作阻力以及运转特性等进行了系统研究，获得的主要结论如下：

3.1 上湾煤矿12煤煤层顶、底板岩石特征分析

12106综采工作面伪顶厚度0～0.5m，主要为灰色砂质粘土岩，含砂质不均，含植物化石碎片，致密；直接顶平均厚度为0.5～0.93m，主要为灰色砂质粘土岩，含砂质不均，含植物化石碎片，致密；老顶平均厚度为0～12.36m，主要为灰白色细粒砂岩，成份以石英为主，次为长石、云母，局部波状层理发育，夹煤线，泥质胶结，厚层状；直接底平均厚度为0～2.35m，主要为灰白色细粒砂岩，成分以石英为主，长石次之，含云母碎片，泥质胶结，分选性较好，顶部为0.15m的砂质泥岩。

3.2 FLAC 3D模拟结果分析

3.2.1 工作面走向岩层垂直应力演变特征分析

工作面推进过程中，工作面中部顶底板区域处于垂直应力释放区，而应力集中区位于工作面煤壁和切眼煤壁附近，该应力区域的范围稳定在20m左右，垂直应力释放主要体现于采空区顶底板围岩中，应力集中最大值一般位于工作面煤壁前上方和切眼煤壁位置处。这是由于采动影响覆岩破坏后上部应力主要由工作面围岩承担，引起采空区四周竖向应力升高。从开切眼开始，随着工作面推进，采空区上方的卸压带沿水平和竖直方向不断增大；当卸压带延伸至松散表土层时，与土壤松散层低应力区贯通，导致松散层出现大范围应力释放区域，形成地表大范围破坏；随着工作面继续推进，该范围在工作面推进方向上继续扩大。

3.2.2 工作面走向岩层垂直方向位移演变特征

工作面推进时，竖直方向变形明显区域主要处于工作面采空区顶板，并随着工作面推进向上覆岩层延伸直至松散表土层，导致松散层出现大变形破坏并波及至地表，随着继续推进，松散层破坏与与顶板岩层破坏形成同步，呈竖直切落特征。

3.2.3 工作面走向岩层塑性变形特征分析

工作面煤壁前方支撑压力随工作面推进逐渐增大，在不同推进进度下，支撑压力的影响范围大约在20～30m范围内，随着推距离的继续增加，支撑压力的影响范围稍微有所增加，但增幅比较小，影响范围最大在30m左右。

浅埋煤层基岩顶板破断失稳导致整个上覆岩层全厚度切落，表现出单一关键层结构特征，工作面将不存在“三带”，基本上为冒落带和裂隙带“两带”。

3.3 上湾煤矿12106综采工作面矿压显现规律研究

ZMJ双柱支撑掩护式液压支架在左右立柱上安有压力传感器，压力数值可以动态的显示在PM32上，并可将数据传至地面，用专业的支架数据监控软件就可把采煤机割煤曲线和顶板载荷数据动态变化情况随时记录下来，为研究老顶周期来压步距和顶板活动规律提供了方便。在12106综采工作面151台液压支架上每隔5架布置一个测点，即将测点布置在5#、10#、15#、…150#支架上，工作面共布置了32个测点。如图1所示。

图1 12106工作面测区布置图

3.3.1 初次来压和周期来压

随着工作面的推进，来压时工作面中部的支架支护阻力是最大的，来压最明显，动载系数也最大。从中部向两侧支护阻力均渐渐递减，动载系数也大致呈现减小的趋势。①综采面初次来压步距是49.6m，周期来压步距平均约为21.5m，持续距离平均为2.9m。②周期来压步距的大小和矿压显现程度与工作面的支架初撑力、工作面的推进速度、上覆基岩厚度有很大的关系。③当周期来压期时，液压支架平均工作阻力达到351 bar，而在非周期来压时，液压支架的平均工作阻力约为280bar，来压异常强烈，尤其是工作面中部区域。

3.3.2 工作面支架工作阻力分析

综采面5个测区的液压支架工作阻力分布在250-350bar之间的均各自占到了整个区间的86.04%、74.42%、69.67%、75.86%、87.21%，为额定工作阻力的54.59%-76.42%，很显然可以看出，液压支架处在非来压期的时间远大于来压期间。工作面5个测区支架工作阻力大于额定工作阻力76.42%的各自所占比例为：11.63%、18.60%、25.84%、19.54%、8.14%。很显然，工作面中部支架工作阻力大都大于两端支架的工作阻力，从机头机尾朝工作面中部逐渐增加，受煤壁影响较大的是第1和第5测区。

3.3.3 支架运转特性分析

综采面支架的增阻情况沿倾向的不同位置大致相同，但在第3测区，即工作面中部测区恒阻及降阻占的比例相对来说较小，而所占比例相对较大的是一次增阻；第1测区和第5测区，即接近工作面两端部位降阻和恒阻所占比例相对较大，而一次增阻占的比例相对很小；由此可以进一步表明初次来压和周期来压时，综采面中部矿压显现非常剧烈，从中部向两端矿压剧烈程度逐渐减弱。

在该综采工作面采用了工作阻力为18000KN的支架，未发生过较大的工作面漏顶事故。这充分说明要有利于顶板支护，工作面液压支架选型时一定要选用比该工作面最大顶板来压强度偏大的支架。

参考文献：

[1]魏同.中国煤炭工业可持续发展的系统分析[J].中国煤炭经济学报，1996（1）.