新阳煤矿近水平薄煤层综采工作面矿压显现规律研究

李 立

（汾西正晖煤业有限责任公司，山西省忻州市，034000）

1 工作面概况

7321工作面标高＋665～690m，地面标高＋850～930m，走向长750m，倾斜长110～180m，煤层平均厚度为1.35m，倾角7°，属近水平薄煤层。工作面采用长壁式综合机械化采煤，自然垮落法管理顶板，采高为1.35m，开采二叠系山西组3＃煤层。煤层顶板为泥岩，直接底为灰色中砂岩，具体情况见表1。

因该工作面与上覆2＃煤层的层间距仅为9～10m，矿山压力显现较大，因而在支护时采用窄轻型支架。通过对工作面进行系统的矿压监测与分析，可以分析在薄煤层中运用窄轻型支架和实行综合机械化开采技术条件下的矿山压力特征，掌握顶板运移、损伤、破坏规律及在上覆煤层采动影响下的矿压显现特点，进而提出合理的应对措施，达到高效合理开采和综合机械化安全生产的目的。

表1 新阳煤矿7321综采工作面煤层岩性特征

2 工作面矿压观测方法及站点布置

根据7321综采工作面的煤层状况、顶底板条件、巷道布置、水文地质情况、采煤方法及支护方式等因素，选用YHY60（B）矿用本安型数字压力计连续观测液压支架立柱载荷大小，计算支架的初撑力、工作阻力、时间加权平均工作阻力和支护强度等参数，统计支架的工作特性曲线及不同时段压力－时间曲线中各类型的百分比，由此分析综放工作面顶板支撑压力的性质与大小，支架在各个时段的支撑状态及对顶煤、顶板的适应性等特征。

7321工作面初期共安设了10套观测仪器，从第3架支架开始安装，每隔10架安装1套仪器，即在3＃、13＃、23＃…93＃支架的左右立柱上安装。为方便对整个工作面进行分析，将10套观测仪器按其在工作面的位置，分成上部、中部、下部3组进行连续观测。

3 工作面初采期间支架载荷观测结果与分析

通过对7321工作面进行的300个循环变量的矿压观测，得到工作面初次来压特征统计表，见表2，同时将上、中、下各部分支架载荷的平均值绘制成曲线图，见图1。

表2 7321工作面初次来压特征统计表

由表2可知，来压前各组的平均载荷依次为2795kN／架（上部）、2598kN／（中部）和2649 kN／架（下部），初次来压期间的最大载荷平均值则相应升高为3358kN／架、3362kN／架和3380 kN／架，来压动载系数分别为1.2、1.29和1.28。工作面上部、中部和下部支架的综合平均结果为来压前2681kN／架，来压期间3367kN／架，来压动载系数为1.26。

由图1可以看出，工作面开采后随着推进距离的加大，顶板的弯曲下沉导致支架载荷逐渐增加。直接顶的初次垮落步距为12.6～13.4m，平均13 m。直接顶板垮落期间实测的支架载荷增幅较大，支架载荷为2000～2600kN／架，是直接顶初次垮落前平时支架载荷的1.19倍。总体来看，工作面直接顶初次垮落过程中的支架平均载荷不大，仅有2569.7kN／架。

图1 7321工作面支架平均载荷变化曲线图

工作面开采至第13日时，观测到支架载荷的增大现象，能听见老顶清脆的断裂声音，工作面煤壁片帮严重，45＃～50＃支架区域的直接顶板冒落，造成机道风流风速加大，回采巷道前方支承压力变化剧烈、顶板变形显著，巷帮片帮严重。这反映的是采场老顶（基本顶）的初次来压过程，它是工作面的老顶破断失稳造成的。由巷道来压预报测站采集数据进行分析，得知此时的顶板动态仪来压反映最为明显，其中第13日凌晨，I3顶板动态仪处的顶板出现了加速下沉现象，I1和I2顶板动态仪处的顶板出现反弹，反弹量分别为2.92mm和1.92 mm，而第15日两个动态仪的累积反弹量高达7.4 mm和2.44mm。工作面的支架载荷急剧增大，巷道超前范围顶板的加速下沉和反弹现象，以及工作面煤壁和巷道的严重片帮等现象同时出现，充分说明采场处于初次来压时刻。观测的初次来压过程持续2d，顶板初次来压时，工作面下部、中部和上部的推进距离分别为23.7m、25.7m和27.5m，初次来压步距平均为24.97m。

根据7321工作面所进行的矿压观测分析，工作面在正常回采阶段顶板随采随冒，周期来压步距为13～20m，平均为16.2m。实测的初撑力和工作阻力较低，平均值分别为1764.7kN／架和2183.6kN／架，为额定工作阻力（4000kN／架）的54.6%；时间加权平均值为1953.4kN／架，相当于额定工作阻力（4000kN／架）的48.8%；实测工作面动载系数均不大于1.7，来压不明显。由此看来，窄轻型支架在7321工作面是完全可以满足顶板支护强度的需要，并且具有较大富裕系数，从而为今后因开采面积增大而引起的来压增大提供了可靠的支护强度保证。

4 工作面末采期间矿压显现规律

由于超前支承压力影响，综放工作面末采期间煤帮较为松软，通过实验室对比顶煤及支架稳定性的试验分析得知，如果工作面收尾后撤架空间正处在来压期间，则是最为不利的时空条件，此时撤架无论在技术上还是经济上都是非常不利的。反之，如果工作面收尾后撤架空间是处在来压刚过，围岩相对稳定的时期，此时撤架则是最为有利的。另一方面，工作面回采结束后的设备搬家速度直接影响到整个矿井生产接替的正常进行，因而在工作面末采期间进行矿压观测显得尤为重要。

末采期间综采工作面具体观测情况见表3，7321工作面距离停采面平均45m时（机尾距停采线52m，机头38m），对工作面矿压情况进行观测，未发现异常情况。在距停采线平均38.5m时，工作面来压，工作面发生大块片帮。当机尾距停采线30m，机头20m，平均25m时，矿压观测中发现，在工作面的中部有30架支架范围的煤壁片帮严重，另外在机头和机尾附近的一些部位也有片帮现象，从而判断是采场的一次周期来压显现。此次来压步距13.5m，与前期观测结果基本相符，由此得出工作面停采线大致位于非来压状态，根据实验室研究和现场观察，此时围岩处在相对稳定的时期，正是最为有利的撤架时刻，回撤通道空间基本安全。

通过7321综采面末采回撤期间矿压观测情况（表3）可知，在距停采线平均14.5m时，工作面仅有47＃～52＃支架位置有轻微片帮，属于正常矿压显现。在距停采线13m时，37＃～59＃架处片帮严重，73＃～74＃支架处片帮严重，总共有25架支架范围煤壁有片帮，涉及37.5m范围长度内的矿压显现增加，因此判断为末采的第二次周期来压，据此更加确定了工作面回撤停采位置处于非来压状态的判断。而回采至停采线6～7m时所观测的煤壁片帮现象，实际上是实施铺网以及打锚杆支护后，工作面推进速度变慢而使煤壁片帮出现的情况，正常速度回采时不会出现，因而不是周期来压显现。依据目前矿压观测成果，至工作面回采至停采线，不会有周期来压，可以正常回撤设备。

表3 7321综采面末采回撤期间矿压观测情况表

5 结论与建议

（1）通过对7321工作面的连续矿压观测，掌握了该工作面的矿压显现规律，初次来压步距平均为24.97m，周期平均来压步距 为16.2m，从而为巷道的合理维护、工作面的合理推进提供了依据。

（2）7321工作面来压前支架平均载荷2681 kN／架，来压期间支架平均载荷3367kN／架，来压动载系数为1.26，动载系数较小，所选用的窄轻型支架可以满足顶板支护强度的要求。

（3）7321工作面末采期间经历了3次周期来压，其步距为13.5m，与前期的矿压观测成果（13～20m）完全相符，工作面停采线位置处于上次来压后的非来压状态期间，矿压显现较小，回撤通道空间恰好位于未断岩层的保护之下，有利于设备回撤。

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