大采高坚硬顶板工作面周期来压特征研究

高金强

（山西汾西南关煤业有限责任公司， 山西 灵石 031304）

引言

由于大采高坚硬顶板工作面顶板较为坚硬，难以垮落，回采过程中极易发生悬顶过长的问题，这就使得工作面来压时形成大面积顶板垮落，对采场造成冲击破坏，且极易导致工作面液压支架压架、巷道围岩难以支护等问题，不仅影响着工作面的生产效率，还影响着井下的生产安全。因此，对大采高坚硬顶板工作面进行矿压观测，研究该条件下工作面矿压规律，对相似条件下工作面围岩控制提供一定理论依据[1]。

对15205综采工作面进行矿压观测时，该工作面顶板初次来压已过，未监测到工作面基本顶初次来压的相关数据，因此，本文主要针对该工作面周期来压特征，采用理论计算和现场观测的方法进行研究。

1 工程背景

15205综采工作面回风顺槽长1 045 m，运输顺槽长1 037 m，切眼长150 m。工作面南部为15204采空区，西部为矿井保安煤柱，保安煤柱外为山西高平裕兴煤业有限公司，北部为实体煤，东部为南翼轨道大巷、南翼运输大巷、南翼回风大巷及大巷保安煤柱。地面位于东沟村与郝家村以北。

15205综采工作面是152采区第5个工作面，开采水平为985 m，是60万t/年矿井改扩建完成后第三个综合机械化采煤工作面。见图1。

15205工作面开采的15号煤层是结构简单、赋存稳定的贫煤，一般含有1～2层夹矸。煤层总厚度介于4.15～4.52 m之间，平均厚度4.43 m。煤层平均倾角为4°。煤体硬度介于0.5～1.5，呈灰黑色、粉状。顶板为k2石灰岩，厚度平均10.2 m，灰黑色灰岩，含生物碎屑，裂隙发育，底部常见溶蚀现象，见红色泥岩；底板为泥岩，厚度平均8.8 m，灰黑色泥岩，局部为粉砂质泥岩，并含铝土质及黄铁矿结核。

图1 15205工作面布置图

15205综采工作面位于井田西南部，S2向斜南翼，轴向S60°E，倾角0°～6°，无断层等地质构造影响，受S2向斜影响，工作面两顺槽坡度变化较大。

此前对15205工作面相邻工作面15202工作面进行矿压观测，分析结果得出15202工作面平均周期来压步距为14.19 m，平均来压强度为7 323.25 kN。现对15205工作面进行周期来压特征分析[2-3]。

2 周期来压的力学模型及理论计算

2.1 周期来压力学

大采高坚硬顶板破坏断裂时，岩块间很难形成铰接平衡，因此在初次来压之后，顶板仍将处于悬臂状态。下页图2为顶板的相似材料模拟试验所得的长壁工作面周期来压时的顶板破断线图形。周期来压时岩板的破断形状可大致看作较长的圆角矩形，沿工作面全长中部约有2/3～3/4的部分平行工作面煤壁断裂，只有工作面两端10～15 m成弧形环状发生断裂，其与现场实际观测的情形完全一致。因此周期来压模型在中部取单位工作面长度的岩条建立力学模型是有代表性的，这就是悬臂岩梁模型。

坚硬顶板周期来压力学模型有均布载荷、非均布载荷和集中载荷三种悬臂梁模型。当坚硬顶板之上覆盖有较厚的软岩层时（与本矿情况相吻合），可将该矿情况看作均匀载荷作用在坚硬顶板上，此时用图3所示力学模型较为合适，其极限跨距Lz为

图2 周期来压顶板破断线图

其中Lz作为这种悬臂梁的极限跨距，可近似为周期来压步距。

图3 悬臂梁力学模型

2.2 周期来压步距的计算

周期垮落按悬臂梁计算，周期垮落步距按式（1）计算。式中：h指每一段的平均厚度，见表1；σt指每一段的抗拉强度，见表1；q指均布载荷，经计算，第一段q1为67.58×103kN/m2，第二段q2为118.77×103kN/m2，第三段 q3为 36.59×103kN/m2，第四段 q4为 67×103kN/m2。

表1 分层厚度及岩石力学参数

基本顶周期垮落步距一般选取最大值，即为17.07 m。

3 工作面现场矿压观测

3.1 矿压观测方案

沿15205工作面支架布置5条测线，见图4。第一条测线（下部测线）布置在第1号架上，第二条测线（中下部测线）布置在第27号架上，第三条测线（中部测线）布置在第49号架上，第四条测线（中上部测线）布置在第70号架上，第五条测线（上部测线）布置在第93号架上[4]。每个支架安装一台顶板压力传感器（GPD50A），2个测压孔通过高压油管分别与支架的前柱与后柱油缸相接（接对角线前后柱），实施在线观测。

图4 15205工作面观测站（线、点）布置

3.2 工作面周期来压分析

对15205工作面各侧线矿压数据进行处理，表2为对该工作面各测线周期来压步距及强度数据的统计整理结果。

表2 15205工作面各测线周期来压步距及强度数据统计整理

由表2可知，顶板周期来压呈不均匀分布，各测线的来压步距在12.03～15.36m之间，平均为13.68 m。工作面上、下部测线较长，分别为15.36 m、14.34 m。中上部、中下部和中部测线较短，分别为12.03 m、13.70 m、13 m。各测线周期来压平均影响范围一般在1.27～1.95之间，平均1.50 m。各测线周期来压平均动载系数在1.16～1.31之间，平均为1.25。来压期间，工作面各测线支架工作阻力均值一般在6 153.17～7 365.03 kN 之间，平均 6 810.8 kN，为额定工作阻力（8 800 kN）的77.40%。最大7 987.98 kN，为额定工作阻力（8 800kN）的90.77%。从周期来压时支架工作阻力总体上看工作面两端压力较小，中部较大。15205工作面平均周期来压步距为13.683 m，平均周期来压强度为6 810.8 kN。

相邻采场15202工作面顶板周期来压步距及来压强度略大于15205，其原因分为三个方面：15205工作面在回采前切眼内采用爆破切顶的方式，受爆破震动的影响，工作面顶板岩层裂隙较发育；根据15202和15205回采工作面作业规程，15202工作面采高略大于15205工作面，造成15202工作面矿压显现强度略大[5]。

4 结论

1）建立简单的周期来压模型，通过理论分析计算的方法，计算得到15205工作面的理论周期来压步距为17.07 m。

2）通过现场矿压观测数据分析，发现顶板周期来压呈不均匀分布，各测线的来压步距在12.03～15.36之间，平均为13.68 m。工作面上、下部测线较长，分别为15.36 m、14.34 m。中上部、中下部和中部测线较短，分别为12.03 m、13.70 m、13 m。各测线周期来压平均影响范围一般在1.27～1.95之间，平均1.50m。各测线周期来压平均动载系数在1.16～1.31之间，平均为1.25。来压期间，工作面各测线支架工作阻力均值一般在6 153.17～7 365.03 kN之间，平均6 810.8 kN，为额定工作阻力（8 800 kN）的77.40%。最大7987.98 kN，为额定工作阻力（8800 kN）的90.77%。在周期来压时支架工作阻力总体上工作面两端压力较小，中部较大。15205工作面平均周期来压步距为13.683 m，平均周期来压强度为6 810.8 kN。