24m层间距下煤层工作面矿压显现规律实测分析

高 峰，赵铁林

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

煤层群开采涉及的研究内容较多，包括上下行开采的合理选择，层间距和层间岩性对工作面设计及设备选型的影响，不同层间距、不同赋存状况和开采条件(煤柱下开采、采空区下开采)对下部煤层工作面的矿压显现规律影响较大。目前，采矿研究人员利用理论分析[1]、数值模拟[2-5]、相似模拟[6-7]和现场实测[8]等多种手段分析了煤层群开采条件下的覆岩破断运移特征和矿压显现规律。

朔州煤电矿区主采石炭系煤层群3号、5号和8号煤层的矿井较多，研究此区域多煤层开采矿压显现规律较少，本文基于现场监测，依托南阳坡煤矿8807综放工作面，分析距上部已采3号煤层24m的5号煤层综放工作面矿压显现规律。

1 8807综放工作面概况

南阳坡煤矿8807综放工作面地面标高1428～1480m，平均1454m。8807工作面位于408盘区东部，北部是408盘区巷道，西部为8805工作面，东部为矿界实煤区，南部为早期掘进的盘区巷。开采5号煤层，工作面标高1128～1258m，平均1193m，埋深170～352m，平均261m。工作面可推进走向长度1300m，倾向长度180m，倾角平均3°，煤层结构复杂，夹有3～7层炭质泥岩，厚度在0.05～0.94m左右，煤层总厚度10.79～14m，平均12.3m。工作面设计采高3.6m，放煤高度8.7m，采放比1∶2.42。

直接顶为5～9m的砂质泥岩，泥质胶结，质软，易风化，具水平层理，层差状断口，断口见少许植物化石碎片。基本顶为20m厚左右的粗砂岩，成份以石英为主，长石次之，泥质胶结，厚层状，质地坚硬。基本顶之上为3号煤层。直接底为4.4m厚的砂质泥岩，泥质胶结，质软，易风化，垂直裂隙发育，具水平层理含少量黄铁矿碎片。工作面配置ZF13000/25/38T型中间支架、MG650/1620-WD型双滚筒采煤机、SGZ1200/2×855型后部刮板输送机、SGZ1000/2×700型前部刮板输送机。

2 8807综放工作面矿压观测方案

8807工作面推进距离较长，为了有针对性地掌握工作面推进过程中的顶板运移来压规律，分析工作面液压支架的运行状况，评价支架适应性，采用GPD60矿用本安型压力传感器，在8807工作面每间隔5个液压支架安设一部YHY60(A)型矿用本安型数字压力计，即分别监测分析5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95，100号共20个支架的工作阻力变化，及时反映支架的初撑力和工作阻力，以便规范工作面支架工标准操作支架、维护支架，最终达到科学管理顶板的目的。

3 8807综放工作面周期来压分析

提取矿压数据库中压力数据，经筛选选取出工作面推进度从1000～1300m区间内的压力数据，对应的支架编号为5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95，100号，以工作面推进度为横坐标，循环末阻力为纵坐标，生成液压支架循环末阻力随工作面推进度的变化曲线。

基本顶来压分析以支架的平均循环末阻力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)

表1 8807工作面周期来压判据

依据液压支架与工作面的相对位置，认为5，10，15，20，25，30号液压支架处于工作面上部位置，40，45，50，60，65，70号液压支架处于工作面中部位置，80，85，90，95，100号液压支架处于工作面下部位置，选取具有代表性的工作面上部、中部和下部位置对应处的液压支架工作面曲线，如图1～图3所示。

图1 5号支架循环末阻力曲线

图2 70号支架循环末阻力曲线

图3 95号支架循环末阻力曲线

统计分析得到工作面上部周期来压步距最小为6.6m，最大为20.8m，平均12.6m。工作面中部周期来压步距最小为5.2m，最大21.2m，平均12.8m。工作面下部周期来压步距最小为5m，最大23.7m，平均12.9m。工作面下部顶板周期来压步距要高于工作面上部和中部，整个工作面基本顶周期来压步距在5～23.7m之间，平均约为12.7m。分析结果如表2所示。

表2 各支架基本顶周期来压步距 m

工作面推进1000～1150m时，工作面周期来压和非来压期间液压支架工作阻力区分度较为明显，工作面来压显现较为明显；工作面推进1150～1300m时，工作面周期来压显现较为强烈，液压支架工作阻力普遍较高，高于其他期间的周期压力循环工作阻力值。结合图1可以综合得到，在推进方向上，周期来压呈现出多个平缓周期后会发生一次较强的现象，生成三维线框图如图4所示。

图4 8807工作面周期来压工作阻力三维分布

通过对比基本顶周期来压期间和来压之前的支架循环末阻力，可以得到周期来压的强度指标值，即动载系数：

N=Pt,m/Pt,n

(2)

式中，Pt,m表示基本顶来压期间的循环末阻力，Pt,n表示基本顶来压前的支架循环末阻力。

统计如表3所示，基本顶来压最大动载系数为1.71，最小为1，来压平均动载系数为1.27。

4 8807综放工作面液压支架适应性分析

南阳坡煤矿开采多个煤层，开采上部煤层时，覆岩先前未受采动影响，未发生大范围的损伤破断运移。上部煤层回采后，覆岩层发生运移，采场应力发生转移、叠加和衰减等现象。在下部煤层回采时，上覆岩层将发生二次运移，工作面矿山压力显现将不同于普通工作面。回采过程中遇到上部存有遗留煤柱时，矿山压力显现程度明显增强，安全阀开启率将明显增加；遇到上部为采空区时，矿山压

表3 基本顶历次来压期间动载系数

力显现较为平缓；在遗留煤柱和采空区中间的过渡阶段，矿山压力显现相对较弱。下部煤层综放工作面实现安全高效开采，选择合适的液压支架，能够适应本地区本煤层综放开采显得尤为重要。下面主要从支架工作阻力频率分布、初撑力水平和前后立柱受力特征3个方面去评价8807综放工作面液压支架的适应性。

4.1 液压支架工作阻力频率分布

以工作面回采时期支架工作阻力在各区间段占的百分比为准进行统计，并以直方图形式进行表达，选取具有代表性的25号支架进行分析。如图5所示。

图5 液压支架工作阻力频率分布

分析图5可知，在统计时间段内，各支架工作阻力分布基本符合正态分布，各支架的工作阻力大部分处于7000～12000kN。对比工作面上部、中部、下部工作阻力，得知一个区域内的支架工作阻力分布相近，而工作面中部的支架工作阻力明显大于工作面上部和下部，工作面中部的支架工作阻力多集中于11000～12000kN。

4.2液压支架初撑力分析

8807工作面回采期间初撑力统计结果如图6所示。工作面上部初撑力平均6090.8kN，中部初撑力平均7208kN，下部初撑力平均5904.8kN。工作面中部初撑力明显大于上部和下部的初撑力。整个工作面初撑力平均为6401kN，约为支架额定初撑力的63.4%。

图6 液压支架初撑力分布

4.3 前后立柱受力均衡性分析

南阳坡矿8807综放工作面采用的ZF13000/25/38T系列四柱式液压支架，工作阻力为13000kN，立柱缸径相同，每根柱子的额定工作阻力为3250kN。一个记录仪有2个通道，分别监测支架的前柱和后柱，对各架的立柱循环末阻力进行统计，再对统计时间段内的循环末阻力求平均值，即定义为平均循环末阻力，综合说明支架立柱的受力情况，绘成直方图，如图7所示。

图7 40号支架前后立柱受力统计

分析得到，各支架前后柱受力比较均匀，前柱受力平均28.67MPa，后柱平均25.68MPa；前柱与后柱受力的比值最小86.53%，出现在95号支架，最大123.95%，出现在70号支架，平均111.64%。可见支架前柱与后柱受力均匀且差别较小。

5 结 论

(1)南阳坡煤矿8807综放工作面开采5号煤层，基本顶周期来压步距最小为5m，最大为23.7m，受到上覆已采3号煤层的影响，下部的基本顶周期来压步距大于中部和上部，整个工作面基

本顶周期来压步距平均约为12.7m。

(2)工作面基本顶周期来压最大动载系数为1.71，最小为1，周期来压平均动载系数为1.27。

(3)工作面各支架工作阻力分布基本符合正态分布，大部分处于7000 ～12000kN。工作面中部的支架工作阻力明显大于上部和下部，多集中于11000～12000kN。

(4)工作面中部初撑力明显大于上部和下部的初撑力，初撑力平均为6401kN，约为支架额定初撑力的63.4%。

(5)各支架前后柱受力比较均匀，差别较小。前柱受力平均28.67MPa，后柱平均25.68MPa，前柱与后柱受力比值平均111.64%，液压支架总体适应性较好。