薄煤层工作面顶板运动及矿压显现规律研究

马启廷 陈道志 王 凯

（1.滕州郭庄矿业有限责任公司，山东 滕州 277500；2.山东科技大学矿业与安全工程学院, 山东 青岛 266590）

薄煤层是指厚度在1.3m以下的煤层。在开采薄煤层时应用沿空留巷技术，能够最大限度地提高薄煤层煤炭采出量，减少掘进巷道的数量[1]。采用沿空留巷巷道通常会受到两次采动压力的影响，因此需要对沿空留巷工作面的矿压显现进行观测和研究，为巷道的布置与支护形式提供依据。针对沿空留巷工作面的矿压显现规律，已有很多学者做了相关的研究[2]，为锦丘煤矿工作面矿压观测提供了理论和技术上的依据。

1 工程概括

锦丘煤矿开采16煤层，煤层厚度0.7～1.85m，平均1.01m，属于薄煤层，煤层结构较简单，属稳定型可采薄煤层。16煤层开采区段巷道采用留窄小煤柱形式。16煤层顶板为灰岩，局部坚硬区域极易造成大面积来压切顶，严重影响矿井正常生产与安全。为确保矿井正常生产安全，迫切需要了解16层煤受采动影响围岩支承压力的分布与变化规律。

2 顶板运动步距

直接顶初次垮落后，工作面顶板开始进入基本顶初次来压阶段。随着工作面的推进，基本顶岩层逐渐发生离层、下沉继而在岩梁端部和中部发生断裂，基本顶的断裂和下沉形成了工作面来压。工作面顶板岩梁在推进方向上的运动规律包括直接顶的初次垮落步距、基本顶的初次来压步距及周期来压步距[3-4]。

2.1 初次垮落步距

工作面上方的直接顶可视为“板”，利用弹性力学理论推导的“板”极限破坏步距公式求解[5]。

式中：

LOZ-直接顶初次垮落步距，m；

σt-岩层抗拉强度，kg/m3；

k-岩层龟裂系数，k=0.25～0.75；

m-运动岩层厚度，m；

b-工作面斜长，m；

γ-岩层容重，kg/m3；

α-工作面倾角，（°）。

根据锦丘煤矿工作面16101直接顶与基本顶的厚度以及岩层岩性，各参数的取值及计算结果见表1所示。

表1 顶板运动步距计算参数

2.2 周期来压步距

由于受力情况和支撑条件的变化，与初次来压步距C0相比周期来压步距要小得多，一般认为周期来压步距等于1/4～1/3C0[6]。在我国的一些矿井回采工作面的生产实践中也证实了周期来压步距C与初次来压步距C0的这种比例关系。锦丘煤矿工作面的周期来压步距C：

经过以上理论分析，计算得到的岩梁运动步距，直接顶初次垮落步距15.64m，基本顶初次来压步距34m，基本顶周期来压步距13.67m。

3 矿压观测及分析

3.1 矿压观测方法

根据观测结果，对工作面回采过程中的顶板运动规律及来压特征、超前支承压力影响范围和分布特点、工作面支护质量等基础数据进行整理归纳、总结分析。

通过分析支柱每循环压力曲线变化特征来分析支柱工作状态。支柱工作状态是采场上覆岩层的运动变化情况的直接反映，通过支柱压力的变化能够准确判断出采场上覆岩层的运动变化情况。随采场推进，基本顶来压时岩梁会断裂、下沉，工作面的压力也随之呈现周期性的变化，在支柱的压力显现上也会具有一定的周期规律性。

（1）工作面矿压观测

工作面布置3条测线，观测支柱工作阻力的变化情况。测线布置：上部3条测线，即分别从机头部依次编号1～3号测线。由锦丘煤矿生产科矿压组负责采集数据，连续观测支架的初撑力、工作阻力，每班采集5次数据。

（2） 顺槽矿压显现观测

在巷道超前支护范围内的单体液压支柱上各安设4台SYZ-60型阀控式单体支柱压力在线记录仪，连续观测单体支柱支护阻力的变化情况，每班采集数据5次，工作面测点布置如图1所示。

3.2 顶板运动步距实测

在工作面正常生产阶段，由于单体支柱阻力曲线随着上覆岩梁的周期性运动具有周期性变化的规律。因此，可以通过曲线在观测时间段上的周期性变化来判定顶板的运动步距。

图1 工作面测点布置图

利用单体支柱“P-t”原始记录曲线分析顶板的运动步距。通过实测对直接顶和基本顶初次垮落步距的分析，根据单体液压支柱工作状态和图2来分析顶板周期运动步距实测结果。

通过图2可以看出，各单体支柱在11月17日、11月22日、11月26日、12月1日、12月5日、12月9日期间都有压力峰值出现，而且持续时间大致相同，由此判断在观测期间共有五次顶板周期运动。

表2 上工作面岩梁周期运动步距观测结果

由表2可知上工作面岩梁周期运动步距为：

L=(16.45+13.2+16.37+13.2+13.3)/5=14.5m

可知工作面岩梁周期运动步距为L=14.5m。上述对顶板运动各次步距大小分析，其值与锦丘煤矿同一区段其他工作面相比非常接近，故推断基本顶的周期来压步距也大致相同，经类比仍可初步确定C=14.5m。

图2 工作面单体支柱工作阻力

4 采场支承压力分布及显现规律

煤层上的支承压力分布和在工作面巷道中的显现以及两者间的关系，是由上覆岩层的状态和煤体本身各处的支承能力所决定。因此了解煤受力分布状态及其破坏状态的发展过程，搞清上覆岩层运动规律，就能对支承压力的分布和显现规律作出正确的判断。

利用4台单体支柱压力计，分别测得距工作面煤壁5m点、10m点、15m和20m点的单体液压支柱压力值，绘成的R-t曲线如图3所示，

分析得到如下结论：

（1）总体来讲，在超前支护范围的20m内，随着距煤壁的距离增大，支承压力显现的总体趋势是单调下降的，靠近工作面煤壁部位越近，单体支柱的压力值就越大。

（2）从单体液压支柱的压力分布直方图上可以看出，单体支柱的平均工作阻力为15～20MPa，符合单体支柱的正常工作压力要求。

（3）根据现场实际观测，单体液压支柱的实测压力曲线可以很好地反映采动影响的支承压力分布与发展规律。

图3 顺槽超前压力曲线图

5 结语

根据锦丘煤矿16101薄煤层工作面开采条件，经过理论分析、矿压观测等得到了支承压力的分布和显现规律，主要有以下几点：

（1）直接顶初次垮落步距15.64m，基本顶初次来压步距34m，基本顶周期来压步距13.67m。

（2）通过对顺槽超前支护的单体液压支柱压力的监测，随着距煤壁的距离增大，支承压力显现的总体趋势是单调下降，顶板岩梁来压时的压力值均大于来压前的压力值，单体支柱的平均工作阻力为符合单体支柱的正常工作压力要求。

（3）16101工作面是锦丘煤矿16煤首采工作面。对该工作面进行系统而全面的矿压监测可以掌握16101工作面乃至整个一采区工作面的采场上覆岩层的运动规律、确定需控岩层的范围、建立采场支架与顶板的相互关系、进行基本顶来压预报等。