浅埋薄基岩中厚煤层综采面矿压显现规律研究

潘黎明，贾光胜，3

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;3.山西天地王坡煤业有限责任公司，山西晋城048021)

我国西部蕴藏有大量浅部煤田，最典型的是神府东胜煤田，是我国目前最大的煤田，也是世界七大煤田之一。神东矿区开采区域大部分集中在埋深100～150m以内的浅部，煤层的典型赋存特点是埋深浅、基岩顶板较薄、表土覆盖层较厚。此类工作面顶板破断通常为整体切落，易于出现顶板台阶下沉，矿压显现剧烈［1］。

目前，我国对浅埋厚煤层研究成果很多，比较集中于大采高工作面矿压显现规律的研究［2－6］，此类工作面，由于采高较大，工作面易发生煤壁片帮，端面冒顶，支架稳定事故率高，另一方面，采高增大，引起的覆岩活动空间更大，矿压显现剧烈［7－8］。相对而言，中厚煤层综采面矿压规律研究较少，此类工作面，由于采高较小，片帮、冒顶问题较少，但其矿压显现绝不缓和，曾发生过切顶压架事故，造成巨大经济损失［9］。本文对某矿浅埋深薄基岩中厚煤层综采面矿压显现规律开展研究，为此类条件工作面安全高效开采、支护阻力确定等提供重要依据。

1 工作面概况

某矿4109工作面主采4－2煤层，煤层平均厚度2.8m，设计采高2.7m，煤层倾角小于3°，结构简单，煤层坚固性系数 1.5～2.5。工作面长200m，推进长度1682m，埋深37～90m。钻孔综合柱状图显示，煤层上方顶板由上往下依次为:黄土层厚度14.15m，砂质泥岩厚度15.05m，细粒砂岩厚度14.70m，顶板基岩厚度合计为29.75m，顶板基岩较薄，但比较完整、裂隙不发育。底板为砂质泥岩，厚度13.2m。

2 覆岩三带分布情况分析

在近水平煤层长壁开采条件下，随着回采工作面从开切眼开始推进，上覆岩层将会相继出现垮落、开裂及弯曲下沉，并自下而上逐层扩展，一般可以形成冒落带、导水裂缝带和弯曲下沉带。综采工作面，冒落带高度Hm，导水裂缝带高度Hli的经验公式见下式［10］:

式中，Hm为冒落带高度，m;Hli为导水裂缝带高度，m;ΣM为累计采厚，m。

4109工作面，采厚2.7m，基岩厚度29.75m，黄土层厚度14.15m，覆岩厚度43.90m，基岩与采厚之比为11.0。根据上述公式计算可得工作面冒落带高度、导水裂缝带高度分别为 (13.02±3.15)m，(38.22±2.36)m，最大冒落带高度16.17m，最大导水裂缝带高度40.58m，“两带”合计最大高度56.75m，超过基岩厚度与覆岩厚度。因此，工作面顶板裂缝扩展直达地表黄土层，覆岩只存在冒落带、导水裂缝带，而不存在弯曲下沉带。

3 浅埋中厚煤层工作面矿压显现特征分析

4109工作面采用ZY6800/14/32型两柱掩护式液压支架，表1为支架参数。采用天地科技股份有限公司开采设计事业部自行研制的KJ21矿山压力监测系统监测支架压力，总共布置14台支架压力记录仪，分别安装在4号、14号、24号、34号、44号、54号、64号、74号、84号、94号、104号、114号、124号、134号14个支架上。工作面从2012年5月31日开始开采，工作面推进4.8m后，对工作面顶板实行深孔预裂爆破。工作面推进速度情况为:5月31日－6月4日，工作面平均推进速度为5.0m/d;6月5日－6月30日，工作面平均推进速度为10.7m/d，比较均衡，有少量单日进尺较小的情况。

表1 ZY6800/14/32型两柱掩护式液压支架主要技术特征

3.1 工作面来压基本规律

部分支架实测工作阻力曲线，见图1～图3。由于工作面两端头支架来压不明显，主要选取中部支架进行观测分析。表2为根据观测数据计算所得的4109工作面顶板来压判据。

图1 4号支架工作阻力曲线

图2 34号支架工作阻力曲线

表2 顶板来压判据

3.1.1 初次来压

根据数据分析及现场实际观测，确定工作面推进至43.2m发生初次来压，来压步距51.2m(工作面开切眼8m)，工作面来压步距较一致。来压期间，支架压力普遍增大，立柱安全阀大量开启，动载明显。来压期间平均循环末阻力6678kN。来压特征情况见表3。

3.1.2 周期来压

图1～图3为工作面支架实测阻力曲线，图中箭头所标处为支架明显来压处。可以看出，沿工作面倾向，支架阻力呈现出一定的规律:中部支架来压明显、规律性强 (如34号支架)，来压期间工作阻力明显区别于非来压期间;端部支架在开采期间，来压不明显 (如4号支架);114号支架属于中部与端部压力过渡支架，呈现来压明显，但来压次数明显较少，来压步距极不规律。

图3 114号支架工作阻力曲线

表3 初次来压特征表

典型的54号支架循环末阻力曲线见图4，各周期来压根据顶板来压判据及现场观测确定，在图中标明各周期来压阶段，根据支架循环末阻力曲线图统计得出基本顶周期来压特征 (见表4)。由图及表4可以看出，初采期间，工作面共经历了16次周期来压，来压步距最小为5.6m，最大为26.5m，平均为15.3m，动载系数最小为1.26，最大为2.02，平均为1.57，动载明显，来压期间平均循环末阻力为6746kN。

图4 54号支架循环末阻力曲线

由图4及表4中反应的信息可以看出，工作面各支架周期来压步距、动载系数与来压期间工作阻力总体上呈现一定的规律，矿压显现明显。矿压显现与支架工作状态、工作面推进速度、覆岩物理力学性质及覆岩运动所形成的“结构”等有重要的关系［8，11－12］。以 54 号支架为例，分析支架顶板来压及工作阻力情况。

图5为54号支架6月22日－6月29日工作阻力曲线特征分析图，此段时间内，34号、54号、64号、74号支架工作阻力曲线类似。图5中显示了54号支架经历了第12次来压峰值段及第13～16次周期来压，结合表4，可以得出，顶板破断步距呈现“大—大—小—大”的变化，大小平均为“19.2m—16.8m—7.9m—18.0m”，小步距夹杂于大步距中，大步距平均18.0m、小步距平均8.0m，12～16次来压持续长度呈现“长—短—短—短—长”的变化，大小约为“4.2m－2.4m－1.2m－2.4m－4.8m”。

第14，15次顶板来压时，工作面推进速度较慢，循环持续时间长，支架安全阀长时间处于开启状态，不利于支架安全。第12，16次来压峰值段，工作面推进速度较快，安全阀开启较少或者几乎没有开启。由此可见，来压期间，加快工作面推进速度，减少循环时间，可使支架避免长期处于安全阀开启状态。

3.2 沿工作面倾向支架最大阻力分布

沿工作面倾向各支架最大工作阻力分布是判别顶板压力沿工作面倾向压力分布的一个重要指标。最大工作阻力沿倾向分布呈近似“几”字型抛物线 (见图6)，整个开采期间，中部支架最大压力为7500kN左右，端部支架最大压力不超过6000kN，说明在来压期间，工作面中部支架工作面阻力明显大于两端，顶板破断将首先发生在工作面的中部，两边延后破断。

表4 基本顶周期来压特征

图5 54号支架工作阻力曲线特征

图6 沿工作面倾向最大工作阻力分布

最大工作阻力最大值为7733kN，占额定阻力113.7%，最大工作阻力最小值为4862kN，占额定阻力71.5%，最大工作阻力最大值与最大工作阻力最小值之比值为1.59。

3.3 支架受力特征

3.3.1 工作阻力频率分布

工作面初采期间，工作面推进速度较快且较均匀，工作面支架阻力一直处于压力不大状态，大部分支架阻力处于3000～6000kN，占84.2%，其中处于4000～5000kN的比例最大，占51.79%(见图7)。

图7 支架工作阻力频率分布直方图

3.3.2 平均初撑力与平均循环末阻力、来压期间平均循环末阻力的关系

平均循环末阻力、来压期间平均循环末阻力与平均初撑力 (见表5)的线性关系分别为:F1=F0+605，F2=F0+2612。可以看出，来压期间，支架压力增幅平均达2624kN。

在整个开采期间，中部支架平均初撑力达到支架设计初撑力的81.6%，平均循环末阻力达到额定工作阻力的69.7%。来压期间，平均循环末阻力达到额定工作阻力的99.2%，支架安全阀在此期间内普遍开启，观测表明，持续时间较短，工作面整个开采期间没有出现压架等现象。

表5 支架平均初撑力、平均循环末阻力、来压期间平均循环末阻力

4 工作面液压支架适应性分析

按钻孔综合柱状图计算所得的覆岩静载应力为:

式中，γ为单位体积黄土重力;H为黄土层厚度;γ0为单位体积基岩层重力;h为基岩层厚度。

p1小于但接近支架支护强度0.97～1.07MPa。由于地表起伏，埋深最大达90m，此处覆岩静载应力将大大超过支架支护强度。考虑动载效应，动载系数取1.5，此时覆岩应力1.41MPa，亦将大大超过支架支护强度0.97～1.07MPa。

实际上，支架支护强度的确定不能按支架上方全部覆岩静载应力与动载系数来考虑，原因在于:

(1)覆岩“承压拱”结构［13］的存在 浅埋长壁采场上覆岩层中可以形成承压拱结构，该结构具有承载作用，可有效保护回采空间，避免了切顶事故，并减轻了顶板对支架的压力，防止了压架事故的发生。

(2)足够的支护阻力 工作面使用液压支架额定支护阻力为6800kN，顶板来压时，支架安全阀开启，在推进速度较慢时，安全阀长时间开启，处于不安全状态。若支架压力过小，工作面极易发生压架事故，且有可能导致切顶事故。

实测结果表明，4109工作面矿压显现特征为:工作面顶板来压明显，来压有大小步距现象，动载系数大，持续时间短，开采过程中，未出现切顶压架事故。

总体来说，工作面所选ZY6800/14/32型两柱掩护式液压支架能够较好适应此类浅埋薄基岩中厚煤层开采条件，支架选型较为合理。但鉴于来压期间，工作面推进速度较慢时，安全阀长时间开启的情况，建议可适量增大支架支护强度与支护阻力，根据实测，建议增大支架支护强度至1.07～1.17MPa，工作阻力增大至7500kN以上，支架将有更强的适应性。

5 结论

通过对采高2.7m、工作面长度200m浅埋薄基岩中厚煤层综采工作面矿压显现规律研究，可以得出如下结论:

(1)工作面覆岩只存在冒落带、导水裂缝带，而不存在弯曲下沉带。工作面最大冒落带高度16.17m，最大导水裂缝带高度40.58m， “两带”合计最大高度56.75m，超过基岩厚度29.75m与覆岩厚度43.90m，顶板若破断将直达地表。

(2)工作面矿压显现特征为:工作面顶板来压明显，来压有大小步距现象，动载系数大，持续时间短，开采过程中，未出现切顶压架事故。支架支护强度的确定不能按支架上方全部覆岩静载应力与动载系数来考虑，其根本原因在于覆岩“承压拱”结构的存在及足够的支护阻力。

(3)ZY6800/14/32型两柱掩护式液压支架能够较好地适应此类浅埋中厚煤层开采条件，支架选型较为合理。但鉴于来压期间，工作面推进速度较慢时，支架存在不安全状况，建议可将支架增大支护强度至1.07～1.17MPa，将工作阻力增大至7200kN以上，支架将具有更强的适应性。

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