采空区煤柱下综放开采矿压显现规律及围岩控制研究

刘宗柱

(山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿，山西 兴县 033602)

综放开采是我国目前特厚煤层的主要开采方法，经过多年研究和实践，综放工作面矿压显现规律已较为明确[1]。随着高支护阻力液压支架的研发应用，综放工作面顶板安全得到了保障。然而，斜沟矿采空区煤柱下的综放工作面在15000kN高支护阻力支护下，支架仍然出现压架事故，因此，该类条件下的矿压显现规律具有其特殊性。本文以斜沟矿23107综放工作面为研究对象，依托尤洛卡矿压在线监测系统，研究采空区煤柱下放顶煤工作面矿压显现规律以及放顶煤支架承载特性，进而提出合理的采场围岩控制措施。

1 工程概况

23107综放工作面(图1)位于21采区回风上山北侧，东侧、西侧、北侧为实煤区，上部为8号煤18103，18105和18117工作面采空区，工作面与8号煤平均层间距70m。工作面煤层平均厚度14.35m，煤层倾角平均8.8°，倾斜长度242.4m。采用低位放顶煤采煤法进行回采,采用全部垮落法管理采空区顶板，工作面共142个液压支架。

图1 工程概况

2 矿压观测方案

工作面共设置25个测站，侧站平均分布于整个工作面，分为上、中、下3个测区，上部测区8个测站为18～25号，对应的支架号为102，107，112，117，122，127，132，137号；中部测区9个测站，为9～17号，对应的支架号为50，56，62，68，77，82，87，92，97号；下部测区8个测站，为1～8号，对应的支架号为2，8，14，20，26，32，38，44号。

3 矿压显现规律

3.1 工作面来压步距分析

为研究23107综放工作面矿压显现规律，依托矿压在线监测系统，图2至图4为工作面上部测区21号测站、中部测区13号测站和下部测区4号测站测定的液压支架整架平均工作阻力。

图2 21号测站支架整架工作阻力变化曲线

图3 13号测站支架整架工作阻力变化曲线

图4 4号测站支架整架工作阻力变化曲线

根据图2～4和表1可知，23107综放工作面基本顶初次破断形成的初次来压，平均来压步距51.6m，平均动载系数1.8，工作面周期来压步距在12.9～19.5m，动载系数在1.37左右。工作面非来压期间，煤壁和顶煤较为稳定，来压期间，煤壁片帮，顶煤破碎较为严重，液压支架立柱活柱下缩，安全阀开启。来压强烈时，出现压架事故。

表1 23107综放工作面矿压显现周期来压规律分析

另依据表1可知，23107综放工作面上、中、下3个区域初次及周期来压存在着明显的时间差异，并非工作面整体来压，且3个区域来压期间的来压强度也存在着明显的不同，来压具有分布不均衡性和来压不同步的特点，这对工作面的顶板管理工作提出了新的要求，在工作面的顶板管理中，除加强来压区域的顶板支护质量外，应根据工作面来压区段、来压强度的迥异以及工作面矿山压力与时间的关系，对工作面不同区段调整回采速度，以防压架事故发生。

3.2 工作面载荷分布规律

23107综放工作面上部有8号煤层18103，18105和18117工作面回采后遗留的保护煤柱和工作面隔离煤柱。8号煤层工作面回采后不仅在8号煤层遗留煤柱上形成应力集中，此集中应力还会向底板岩层传递，使底板岩层在一定范围内应力重新分布，在一定范围内形成应力增高区和应力降低区，改变了底板岩层原有的应力环境及岩层的物理力学性质，从而影响下部工作面的开采或者巷道围岩稳定性[2-3]。

根据初采初放期间对25个测站实时监测，分析统计出初采初放期间各测站平均工作阻力，如图5所示。

图5 工作面载荷分布规律

工作面5号和6号测站位于8号煤18103和18117工作面保护煤柱下，由图5可知，在下部测站中，5号与6号测站压力值明显高于下部其他测站的压力值，说明上部8号煤层工作面的遗留煤柱对底板岩层形成的高应力区域波及到13号煤层，对13号煤层放顶煤工作面回采有一定的影响。

另由工作面载荷分布规律可以知道，23107综放工作面中部压力大于上部和下部压力，中部支架载荷与下部煤柱下高应力作用下5号和6号支架载荷相当，因此，在23107工作面回采过程中要加强遗留煤柱下方和工作面中部的顶板管理工作，在日常的生产过程中要特别加强此区域液压支架的初撑力以及前探梁的支撑作用，以防支架前端冒顶事故的发生。

4 放顶煤支架承载特征分析

4.1 支架工作阻力承载特征

工作面液压支架的受力状况对液压支架承载能力的发挥，采场围岩的控制起着至关重要的作用，为研究确定放顶煤支架的受力状况，依托矿压在线监测系统对放顶煤液压支架前、后立柱的工作阻力进行实时监测，测定4号测站、13号测站和21号测站液压支架前、后立柱的工作阻力变化，曲线如图6～8所示，工作阻力分析见表2。

图6 4号测站支架前后立柱工作阻力变化曲线

图7 13号测站支架前后立柱工作阻力变化曲线

图8 21号测站支架前后立柱工作阻力变化曲线

根据图6～8和表2可知，综放工作面液压支架前立柱为主要的承载结构，前立柱工作阻力较大，周期来压期间最大平均载荷为35.3MPa，后立柱工作阻力很小，最小平均载荷仅为5.1MPa。前立柱工作阻力曲线与工作面矿压显现规律曲线有着相同的走向趋势，呈现出周期性的变化规律，周期来压期间前立柱工作阻力比非来压期间高出10MPa左右，而后立柱工作阻力曲线无规律可寻。

表2 前后立柱工作阻力分析

从监测结果可知，放顶煤支架后立柱工作阻力很小，影响了支架承载能力的发挥，一定程度上损害了“支架—围岩”关系。

4.2 支架承载机理分析[4-7]

在放顶煤“支架—围岩”体系中，支架载荷除了顶煤、直接顶以及垮落岩块的载荷外，基本顶的运动对支架所受载荷的大小也有直接的影响。顶煤作为基本顶运动作用力的传力介质，其传力能力取决于其自身的刚度大小。研究表明支架控顶区范围内顶煤的破坏程度不一致，越靠近煤壁，顶煤完整性越好，刚度越大。根据顶煤破碎程度及刚度，将顶煤分为松散区和破裂区，松散区顶煤刚度小，传递力能力小，破裂区顶煤刚度大，为主要的传递介质。因此，作用于支架的载荷表示为：

Q=KΔS+Wc+Wr

(1)

式中，K为顶煤的刚度，N/m；ΔS为顶煤压缩量；Wc为顶煤和其上直接顶的重量；Wr为垮落岩块的重量。

支架前后立柱受载荷的大小取决于作用在支架顶梁上的载荷和作用点位置。23107综放面液压支架受力如图9所示。

根据图9受力分析可计算出放顶煤液压支架后立柱所受力为：

(2)

式中，A=l1-l2tanβ-l2h/l3

B=(l3tanβ-h)/l3

C=l1fh/l3

由式(2)可知，支架后立柱的受力状态取决于作用在支架顶梁上合力作用点的位置。当x增大时，即支架顶梁上的合力作用点前移，后柱承受的载荷减小，当作用到掩护梁上的冒落矸石较少时，后柱还可能出现受拉状态。斜沟矿13号煤为中硬煤，顶煤垮落线的前移和松散区的增大，使得支架的合力作用点前移，支架受力不均、支架前柱阻力大于后柱阻力，支架前立柱作为主要的承载结构。

5 采场围岩控制措施

针对采空区煤柱下放顶煤工作面矿压显现规律和支架承载特性，为了保证此类条件下综放工作面顶板的稳定性，应采取如下措施：

(1)加强煤柱下以及工作面来压段的支护质量，避免支架咬架、倒架、扭架和初撑力不达标现象，工作面来压强烈时，应加快来压段工作面的推进速度，以防止压架事故产生。

(2)提高支架前后立柱初撑力。初撑力的提升有助于减小后立柱上方顶煤的破碎程度，从而减小顶煤松散区的长度，使支架载荷受力作用点向采空区方向移动，以增强液压支架的受力的均衡性，以有效发挥支架的支护性能。

(3)保证支架前探梁的接顶效果，杜绝前梁自降现象。由于支架载荷作用点靠近煤壁侧，因此控制工作面煤壁侧的顶煤的稳定是保证工作面顶板安全，杜绝冒顶的关键。

(4)改变现有支架的总体结构，以两柱掩护式低位放顶煤支架取代现有的四柱式放顶煤支架。

6 结 论

(1)受上部8号煤采空区煤柱影响，下部综放工作面周期来压具有分布不均衡性和来压不同步的特点。

(2)放顶煤四柱支撑掩护式液压支架载荷作用点偏向煤壁侧，支架前立柱为主要的承载结构，与工作面有着相同的矿压显现规律，后立柱承载作用较小，支架受力不均衡，支护性能不能充分地发挥。

(3)针对采空区煤柱下综放工作面的矿压显现规律及液压支架承载特性，提出了采场围岩控制措施。

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