浅埋深大采高矿压监测与分析

张卫民

(山西晋煤集团洪洞晋圣荣康煤业有限公司,山西 临汾 041600)

位于陕北和内蒙的矿区，目前及今后相当长一段时间内，各矿开采区域大部分埋深都小于120m[1]。这类煤层具有浅埋深、薄基岩的特点。浅埋煤层开采采场矿压非但没有因采深变浅而减小，反而由于综采工作面在上覆薄基岩层和松散沙层的重力作用下,发生顶板基岩全厚切落，出现异常强烈的矿压显现，造成工作面压力明显加大，同时地面出现台阶下沉。

随着神东矿区的开发，我国许多学者开始了浅埋煤层采场矿压问题的研究。20世纪90年代初中国矿业大学钱鸣高院士首次提出了采场上覆岩层活动中的关键层理论，建立了关键层的判别准则，深入研究了在关键层作用下岩层的变形、离层及断裂规律[2]。侯忠杰教授在钱鸣高院士提出的“关键层理论”基础上提出了“组合关键层”理论，用“组合关键层”分析了浅埋煤层顶板控制理论[3]，提出了浅埋煤层顶板某几层岩层形成组合关键层。柴敬教授对浅埋煤层的大比例立体模型进行了研究[4]，通过模型因次分析，开展了为研究神府矿区浅埋深、薄基岩、厚沙覆盖层下开采岩层破断运动规律而进行的大型立体模拟实验，直观再现了矿井在开采过程中上覆岩层的动态破坏过程。

显然，浅埋近距离下煤层工作面开采矿压显现异常有其特殊性，需要掌握此类条件下覆岩运动规律与动载矿压发生机理，才能有的放矢，找出合理的防范措施，保证后续工作面的安全生产。

1 222203工作面概况

井田地面大部分为低矮山丘，地形总体趋势南高北低，煤层倾角1°～5°。埋深0～160m；第四系厚度在0～24.31m，平均5.63m。煤层顶底板岩石主要为砂质泥岩、细粒砂岩，次为粉砂岩。2-2上煤层位于延安组第三岩段(J1-2y3)中上部，2煤组上部，井田内基本全区发育且基本全区可采，煤层自然厚度0～11.46m，平均4.50m，可采厚度0.80～10.28m，平均4.55m。煤层顶底板岩石主要为砂质泥岩、细粒砂岩，次为粉砂岩。

222203工作面辅助运输顺槽位于2-2上煤层辅助运输大巷北翼，222203胶带运输顺槽在辅助运输顺槽正东240m处，两顺槽呈南北方向条带型布置。工作面端头选用ZYT11000/25/50D型端头液压支架7架，其中溜尾4架，溜头3架。选用4架ZYG11000/25/50D型过渡支架，其中溜头、溜尾各2架，中间支架选用ZY11000/28/63D型支撑掩护式支架131架，共142架，支架全部使用北京天地玛珂电液控制系统有限公司国产SAC型电液控制系统。支撑高度：2.8～6.3m，支撑宽度：1660～1860mm，初撑力：7918kN(31.5MPa)工作阻力：11000kN(43.8MPa)支护强度：1.15MPa～1.21MPa，底板比压：1.9MPa～4.5MPa，支架中心距：1750mm。

2 矿压观测及分析

2.1 观测方案

为了探讨222203工作面回采时的矿压显现规律,确定初次来压与周期来压的步距及强度,评价目前工作面顶板管理方式,分析支柱性能的合理性，在工作面安装了山东尤洛卡矿业安全工程股份有限公司提供的KJ216矿用观测设备对工作面进行矿压观测。工作面安装17台顶板压力监测分站，其中每个端头支架布置一台，其他按均匀布置，分机固定安装在支架的顶梁下面，工作面通讯电缆采用吊挂式安装，压力分机的1、2 压力通道采用KJ1-10高压油管与综采支架的左右立柱连接，第3通道与支架平衡千斤顶或前探梁油缸连接。综采通讯分站安装在移变列车上，通讯分站通过一条防护式电缆与工作面压力监测分机连接，工作面推进时通讯分站及电源、电缆随移变列车一起移动。

测点位置位于：2号架，10号架，19号架，28号架，37号架，46号架，55号架，64号架，73号架，82号架，91号架，100号架，109号架，118号架，127号架，136号架，141号架。本次以37号架，46号架，91号架，100号架号架为例，分析222203工作面在2012年5.10～5.20期间的矿压规律。

2.2 来压统计

顶板来压分析以支架每天最大(加权平均)工作阻力的平均值与其均方差之和作为判断顶板来压的主要指标。数据计算的公式为：

(1)

顶板来压依据：

(2)

图1为36#、45#、91#、100#支架每天最大(加权)工作阻力、与其对应的来压判据及来压情况。

图1 工作阻力随工作面推进距离的变化曲线

图1的统计结果如表1所示。通过对表1的分析可知，周期来压步距为8.5～17.5m，平均值为14.65m。其中5月11号初次来压后，持续时间较长，直到5月13号初次来压的影响才完全消失。很多支架出现报警。因此说明初次来压时的压力显现明显，此后周期来压的情况则小很多。初次来压后支架的工作阻力接近甚至超过了额定工作阻力，说明初次来压的强度非常明显，因此在后续工作面开采中要特别注意初次来压的显现情况。

表1 支架来压步距(单位m)

2.3 来压特点

该工作面于2012年5月10日开始正式回采，5月11日初次来压，由图1可以看出，此时工作面推进了11.5m，此时大约有20个支架出现了报警，达到了支架的额定阻力。说明初次来压非常明显。结合工作面可知片帮严重。同时由图1可知，初次来压持续时间较长，大约持续了2d，于5月13日结束。在来压十分钟内，支架上方出现了大量的淋水，可见顶板破断裂缝通常在煤壁前方很近的距离。5月112日早晨，当工作面推进16 m时，地表出现第一道明显的裂缝塌陷。

通过现场考察可知，初次塌陷时，塌陷裂缝距工作面只有10m距离，而且裂缝的产状基本与工作面平行，也呈正南北向。罗盘测量结果表示，裂缝的倾角达到85°，说明工作面来压时，基本属于切顶整体冒落。随后周期来压期间，出现了台阶式的下沉，台阶高差最大可到1.5m。随着工作面的推进，原先张开的裂缝逐渐缩小。

结合表1发现，工作面存在大小周期来压现象。有的周期来压范围小、强度低，推进距离短，称之为小周期来压，平均步距8m。而有的周期来压范围广、来压强度大、持续推进的距离长，我们称之为大周期来压，来压步距为16.5m左右。之所以出现大小周期现场，可能是工作面每推进一段距离，基本定就会完全断裂，充分垮落，形成的周期

3 结论

根据现场实测数据及地表塌陷观测，对222203工作面的矿压显现规律进行了研究，得到了如下的结论：

1) 初次来压明显，持续时间长；

2) 存在大小周期来压，小周期来压步距为8m左右，大周期来压步距为16.5m左右；

3) 地表塌陷明显，出现台阶式下城，且裂缝高差明显，最大达1.5m。

[1] 张兴阳、崔亚利。浅埋深特厚煤层综放开采矿压规律监测与分析[J].煤矿安全，2011,11(3):34-36.

[2] 黄庆享，钱鸣高，石平五．浅埋煤层采场老顶周期来压结构分析[J]．煤炭学报，1999，24(6):581-285．

[3] 崔廷锋，张东升，范钢伟,等．浅埋煤层大采高工作面矿压显现规律及支架适应性[J]．煤炭科学技术，2011,39(1):25-28.

[4] 冯晓栋，任永强，范志忠．浅埋深中硬厚煤层大采高综放开采实践[J]．煤炭工程,2011(2):50-51.