神东矿区8 m 大采高工作面矿压显现规律研究

陶志勇，李金刚

(神东煤炭集团补连塔煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017209)

0 引言

我国煤炭在一次能源消费中的比例高达55%以上［1］。厚煤层可采储量约占全国煤炭总可采储量的43%，厚煤层一次采全高综采技术一直是世界煤炭生产技术主要竞争区域。近年来神东公司一直在努力追寻新技术发展的步伐，厚煤层大采高开采技术已经在神东矿区得到广泛应用和推广［2-4］。大采高工作面来压范围广、强度大、持续时间长，现有支架工作阻力不能满足要求，工作面片帮、漏矸频发，冲击载荷大，常出现漏矸冒顶事故，给工作面顶板安全管理带来了很大挑战［5-8］。从6．3 m大采高综采配套设备的应用，到8．0 m超大采高综采设备的生产实践，在生产技术装备方面达到了新高度，这对我国煤炭工业的发展具有重要影响。

神东公司致力于推广应用厚煤层一次采全高综采技术，配套设备也越来越向重型化、大功率方向发展。7．0 m重型成套综采设备已经很成熟，在多个矿井应用并取得很好的经济效益和效果［9-11］。在此基础上，8．0 m重型成套综采设备在补连塔煤矿首次应用，致力于高产高效，一次采全厚，提高单刀产量及回采率，创建年产1 500万t以上的重型综采工作面。

文中以补连塔煤矿12511综采工作面为生产实践背景，对8．0 m大采高工作面矿压显现规律和支架适应性进行研究，为后续大采高工作面安全高效开采提供理论基础和经验借鉴。

1 工程概况

1．1 工作面概况

补连塔煤矿12511综采工作面开采煤层为1－2煤层，煤层厚度4．5～10 m，平均厚度7．44 m，结构简单。工作面长度319．1 m，推采长度3 139．3 m，倾角1°～3°，煤层埋深233～301 m，采用倾斜长壁后退式开采一次采全高全部垮落法处理采空区的综合机械化采煤法进行回采作业。煤层直接顶和基本顶以粉砂岩、砂质泥岩为主，煤层综合柱状图如图1所示。

图1 煤层综合柱状图

1．2 工作面主要设备概况

采煤机:选用 JOY07LS08-762型采煤机，配备4．5 m超大滚筒，装机总功率达到2 925 kW，生产能力6 000 t/h。

液压支架:基本支架选用 ZY21000/36．5/80D型支架，共159架，支护强度大于1．67 MPa，支护高度3．65～8 m;过渡支架选用 ZYG21000/36．5/80DA、B型支架，共4架;端头支架选用ZYT18000/28/55D型支架，共6架;液压支架实现遥控器无线操作功能，工作阻力达到21 000 kN，配套长短过渡支架实现两级垂直过渡，利于顶板管理。

刮板输送机:选用SGZ1400/4800型刮板输送机，总功率4 800 kW，运输能力7 000 t/h，实现变频调速拖动。

带式输送机:采用先进的大功率变频软启动技术、自动张紧技术、高速耐磨托辊、快速自移机尾等先进技术提高设备的开机率。

乳化液泵站:泵站组合采用8泵3箱式配置，总功率2 994 kW，采用超大流量、超高压双回路供液，实现压力控制数字化调节、远程启停、自动注油等自动化功能。

2 工作面矿压规律分析

为避免12511工作面初采期间顶板大面积来压，采用水力压裂初次放顶技术对顶板进行了弱化处理，削弱其强度和完整性，使采空区顶板能够分层、分次垮落，缩短初次来压和周期来压步距。

2．1 工作面初次来压

工作面推进至16 m左右的位置时，直接顶基本全部垮落并填满采空区。

工作面机头推采至36 m，机尾推采至40．6 m处，支架压力开始增大，且增幅较为明显，部分区域开始发生煤壁片帮现象，但未发生支架安全阀开启现象;随着推采，工作面整体片帮严重，片帮深度最大为1．2 m，支架工作面阻力超过安全阀开启值，可以判定为工作面基本顶初次来压。来压期间，工作面中部90#～130#支架率先来压，之后40#～90#支架来压，再后120#～140#支架来压，来压持续范围4．0 m，推算出12511工作面初次来压步距大约在40～44 m。

工作面初采期间的支架初次来压特征见表1，初采期间工作面矿压监测曲面图和支架阻力变化曲线如图2、图3所示。工作面40#～90#支架段来压持续时间较长，来压现象明显，工作面60#～120#支架段动载系数在1．43～1．53之间。

根据以上分析，工作面整体上表现出初次来压不强烈，并未发生飓风及耳鸣等顶板剧烈来压现象。初期来压期间支架立柱最大下沉量在100 mm左右。工作面推采50 m范围内，地表未发生裂隙和沉降现象，当推采至125 m时在距切眼68 m处出现1～2 cm裂缝。

图2 初采期间工作面矿压监测曲面图

表1 工作面初次来压支架来压特征表

图3 初采期间支架阻力变化曲线

2．2 工作面周期来压

3月份周期来压情况:工作面在3月1～30日监测周期内，共发生大小周期来压24次，月推进314．2 m，平均周期来压步距11．4 m，从整体上看工作面周期来压大致呈现“大－小－大”的变化趋势，但并不是严格按此规律变化，偶尔会出现“大－大”或“小－小”来压情况。工作面压力变化曲面图如图4所示。

3月份分析:工作面基本顶周期来压步距最大为16．8 m，最小为 7．2 m，平均 10．77 m，正常回采期间平均一天来压一次。动载系数反映了基本顶来压强度的大小，根据液压支架工作阻力监测数据，工作面动载系数为1．21～1．74，来压强度较强。

6月份周期来压情况:工作面在6月1～30日监测周期内，共发生大小周期来压24次，月推进280 m，从整体上看工作面周期来压大致呈现“小”的变化趋势，但并不是严格按此规律变化，偶尔会出现“大”来压情况，其中发生局部顶板漏冒情况，停产3天，工作面压力变化曲面图如图5所示。

6月份分析:整体上，本月工作面基本顶周期来压步距最大为12．8 m，最小为 7．2 m，平均 10．0 m，正常回采期间平均一天来压一次，动载系数为1．27～1．55，来压强度较强。

8月份周期来压情况:工作面在8月1～31日监测周期内，共发生大小周期来压30次，月推进328 m，从整体上看工作面周期来压大致呈现“小”的变化趋势，但并不是严格按此规律变化，偶尔会出现“大”来压情况。工作面压力变化曲面图如图6所示。

8月份分析:整体上，本月工作面基本顶周期来压步距最大为12．8 m，最小为6．4 m，平均9．6 m，正常回采期间平均一天来压一次。动载系数反映了基本顶来压强度的大小，根据液压支架工作阻力监测数据，工作面动载系数为1．24～1．59，来压强度较强。

矿压检测小结:从选取的3个月矿压监测情况来看，工作面矿压具有一定的规律性。来压步距6.4 ～16．8 m，平均约11．6 m，动载系数约1．4，来压较为明显，基本上符合一天来压一次的规律，偶尔会出现来压持续较长的现象，持续约8～10刀。

2．3 矿压影响因素分析

关键层的影响:①12511工作面顶板存在两层关键层，第一层载荷层约7．7 m，亚关键层约19．8 m，主关键层约35 m，均为砂质泥岩，属于典型的双关键层顶板结构。小周期来压时单个关键层的破断，而大周期来压时则是两个关键层的同时破断［12］;②12511 工作面观测周期来压步距 7．2 ～16.8 m之间，时大时小，符合双关键层来压特点。亚关键层岩体断裂形成小周期来压，连续多次来压后出现一次大周期来压，来压强度大，显现明显，可以推断为主关键层断裂引发工作面矿压显现明显。从而也可以推断出亚关键层断裂步距与主关键层断裂步距，如遇构造或岩体内部发生特殊位移情况，关键层破断规律也发生变化。

图4 3月份工作面矿压监测曲面图

基岩、埋深影响:①根据经验公式可以初步计算得出，12511工作面顶板冒落带高度约24 m(H1=3×M)，裂隙带高度约192 m(H2=H1～M)，工作面上覆基岩220～273 m，呈现出回顺薄、运顺厚、两端薄、中间厚的特点;②工作面切眼至300 m范围内，对应工作面距切眼80～120 m范围内地表呈现沟壑，工作面矿压显现较为明显，来压强度较大，来压比较集中，120～200 m范围内地表基本为平地，来压呈现出分散性、不集中，且来压强度弱;③工作面初采范围内工作面基岩变化不大，基岩厚度在259～273 m，工作面周期来压步距约10 m，来压强度先大后小，大小间隔出现，这与上覆岩层厚度变化关系不大。

图5 6月份工作面矿压监测曲面图

图6 8月份工作面矿压监测曲面图

岩层结构及岩性影响:12511工作面煤岩互层结构较为明显，有两层夹矸，尤其是煤壁中上部，片帮程度较为严重。顶板主要以砂质泥岩为主，岩性变化不大，岩石力学强度相对较高，煤壁所受支承压力较大。初采阶段120 m范围内，下层夹矸厚度约0.6 ～1．2 m，工作面采高保持在 6．0 ～6．5 m 之间，周期来压步距在10．4～15．2 m，来压集中程度较高;推采至120～210 m之间，夹矸变薄，顶板结构不稳定，上层夹矸垮落，且来压趋于不稳定，呈现出散点状。

3 工作面支架适应性分析

选取了3个月的支架受载情况进行统计分析，如图7所示。

图7 支架工作阻力分布柱状图

由图7可知，①6月份工作面支架工作阻力主要集中在250 ～350 bar，占 59．72%，450 bar以上的占6．12%，低于250 bar的占15．04%，说明工作面初撑力管理情况较好，压力主要集中在250～350 bar;②8月份工作面支架工作阻力主要集中在250～350 bar，占 65．42%，450 bar以上的占 6．1%，低于250 bar的占8．4%，说明工作面初撑力管理情况较好，压力主要集中在250～350 bar;③9月份工作面支架工作阻力主要集中在250～350 bar，占65.98%，450 bar以上的占5．63%，低于 250 bar的占10．05%，说明工作面初撑力管理情况较好，压力主要集中在250～350 bar，基本符合正态分布规律。

综上所述，工作面支架受载情况良好，基本呈正态分布形态，压力主要集中在250～350 bar(11 025～15 435 kN之间)，分别占支架工作阻力的52.5%、73．5%，低于250 bar基本占10%以下，综合反映出工作面支架初撑力管理到位，支架还有一定富裕性，完全满足工作面的需要。

4 结论

(1)采用水力压裂初次放顶技术后，效果良好，直接顶初次垮落步距为16．8 m，基本顶初次来压步距40～44 m，平均为42 m，动载系数1．43～1．53之间，来压强度较强。

(2)工作面周期来压基本符合以下规律:来压步距6．4 ～16．8 m，平均约11．6 m，动载系数约为1.4，来压较为明显，基本上符合一天来压一次的规律，偶尔会出现来压持续较长的现象。

(3)12511工作面顶板属于典型的双关键层顶板结构，工作面周期来压规律符合双关键层的来压特点。

(4)工作面支架受载情况良好，基本呈正态分布形态，压力主要集中在250～350 bar(11 025～15 435 kN之间)，综合反映出工作面支架初撑力管理到位，支架还有一定富裕性，完全满足工作面的需要。