厚煤层工作面矿山压力显现规律研究

郝效斌

（西山煤电马兰矿，山西 古交 030200）

矿山压力显现规律的研究是井下安全开采的重要研究方向之一，而工作面矿压观测是确保工作面支护及顶板管理、巷道支护安全高效的重要手段之一。因此，做好工作面的实际矿山压力监测，分析工作面实际矿山压力显现规律，对预防来压具有重要意义。

本文以西山煤电马兰矿18303厚煤层工作面为研究背景，通过工作面矿压观测的方法，研究该工作面矿压显现规律，为马兰矿18303工作面顶板合理有效支护提供对策。

1 工程概况

西山煤电马兰煤矿位于山西省古交市辖区内，为国有重点煤矿之一，设计生产能力为500万t/a，现主采2号煤和8号煤。其中，8号煤层平均煤厚为6.8m，为全区可采的厚煤层。

18303回采工作面可采储量为216.36万t，上覆基岩的平均厚度分布在110～230m之间，其中较为松散的岩层，厚度在8～23m之间。该煤矿18303工作面煤层倾角为1～3°。采用倾斜长壁后退式采煤法开采该18303工作面，一次采全高，全部垮落法管理顶板。该工作面可采走向长为1955m，工作面长度为242m，工作面宽度为7.5m，工作面日推进量为3.2m。本次进行矿压观测研究时，18303工作面已回采60d，推进了192m左右。

2 矿压观测方案

本次观测的内容主要是马兰矿18303工作面集中煤柱前后100m范围内，工作面液压支架的支护阻力及矿压显现的现象等。本次主要是结合18303工作面回采顺序，按照开采的时间先后进行实地监测。

（1）矿压观测内容

本次观测主要分为两个阶段进行：工作面正常回采阶段和工作面进煤柱阶段。其中的观测重点在于煤柱前100m和煤柱后100m，由于煤柱与工作面推进持平，煤柱矿压变化已知最为剧烈，故无需再进行矿压观测。本次矿压观测主要对工作面支架全面观测和深基点附近支架专项观测，对不同阶段的工作面液压支架工作阻力、初撑力、末阻力、活柱下缩、来压步距及强度、支架工作特性进行统计分析。

（2）矿压分析阶段划分

根据工作面距离上覆集中煤柱的距离及观测数据完整情况，以上层煤遗留煤柱边界线为基准，把整个观测过程分为2个阶段。

阶段一为过采空区阶段，推进长度为113m，这一阶段中由于电液控数据不完整，主要以分析人工观测数据为主，着重分析工作面在上覆煤层采空区情况下的矿压特点；

阶段二为进煤柱阶段，从距第一个煤柱边界21m到进第一个煤柱6.9m范围内，在该过程中的矿山压力现象是该部分的分析重点。

3 工作面矿压规律分析

3.1 工作面正常回采阶段

马兰矿18303工作面的正常回采阶段为2017年8月4日～2017年8月13日（工作面距煤柱134～57m），在这一阶段中，每班安排一名研究人员跟班下井，超前采煤机20架左右记录支架控制板上的立柱压力读数，并记录工作面支架安全阀的开启情况。

图1 安全阀开启分布统计图

由于没有较为精准的来压数据做指导，所以对观测记录中安全阀开启的情况进行统计。本次人工观测过程中，判定指标为安全阀是否开启，并以此作为依据，来判断来压步距。

在人工跟班观测期间，一共连续记录了105刀共计91m的安全阀是否开启以及立柱压力情况，其分布范围如图1所示。

通过人工统计安全阀开启的情形，可以发现一个现象，工作面的上方和下方的来压步距并不一致。在统计过程中，发现工作面的上方一共出现了5次顶板来压的现象，计算得知，这5次的来压步距分别为10.4m、18.2m、14.7m和20.8m。但是，与工作面下方的来压相对比可以发现，工作面下方一共出现了四次矿山压力来压现象，计算得知，这四次的来压步距分别为14.7m、11.3m和16.4m。综合分析发现，有两次来压时间上较为重合，周期来压范围较大。

3.2 工作面进煤柱阶段

马兰矿18303工作面进煤柱阶段为2017年8月14日～2017年8月15日，根据工作面支架实测的支架工作的实际阻力曲线图，统计计算得到支架循环末的平均阻力，并分别对各个支架计算均方差。下表1所示为统计得出的42#、50#、63#、80#支架（这4个支架为工作面中间段支架，该段支架所受矿山压力最大）的循环末阻力值和均方差，并计算得出来压的判断依据。

表1 支架周期来压判据

根据表1计算出来得到的来压判断依据绘制在支架工作阻力上，如图2所示。通过对支架立柱压力曲线图进行分析，8月14日21点左右支架的工作阻力明显增高，工作面发生了一次大的来压现象，此时工作面距离第一个煤柱边界9.7m。这次来压一直持续到8月15日8点多早班结束，来压期间工作面向前推进了8.4m，此时工作面距离第一个煤柱边界1.3m，之后工作面压力维持在一个较小的数值。从综采一队的8月14日中班和8月15日夜班的生产记录可知，在这一时间段内，工作面确实发生了持续时间较长的来压现象，整个工作面的安全阀开启，来压较为猛烈。在一个割煤循环内，支架活柱下缩量最大可以达到1000mm。

根据曲线分析和生产情况反馈，可知，在工作面进煤柱前，全工作面发生了大的周期来压现象，进入煤柱之后周期来压消失，工作面压力减少。

根据工作面来压情况数据，选取42#、50#、63#和80#的液压支架数据，对其所实际测得的循环末的阻力加以区别和分类，分别划分成为来压期间循环末阻力和非来压期间的循环末阻力，并分别计算二者的平均值，然后计算得到各个支架在来压期间的动载系数如表2所示。

图2 支架工作阻力曲线图

表2 工作面来压动载系数统计表

综合图2中各支架的工作阻力曲线图和表2中计算得到的各个支架在来压期间的平均循环末阻力和非来压期间的循环末的支架平均工作阻力，对比发现，在工作面进煤柱开采阶段，在周期来压之前，各个支架的工作阻力都比较小，但是当周期来压时，支架的工作阻力会有显著的变大，迅速上升达到安全阀开启的阈值，导致安全阀开启。比较各个支架的动载系数可以看出，动载系数分布在1.50～2.00之间，最大动载系数高达2.00，说明周期来压剧烈。

在工作面进煤柱这一阶段，对工作面中的各个支架的循环末的支架工作阻力进行统计，得到分布直方图，如图3所示。

图3 工作面进煤柱阶段支架末阻力分布直方图

通过上图3中数据可以看出来，非来压期间，各支架的循环末的工作阻力分布范围在11000～12000kN之间，来压期间，各支架的循环末工作阻力主要分布在17000～19000kN范围之间，其中有11.7%的循环末阻力超过安全阀的开启值。

4 结论

马兰矿18303工作面的矿压观测是在人工观测和系统自动观测相结合的方法的基础上，通过对两个阶段的矿山压力显现现象进行了分析，分析结果如下：

本次矿压观测按照回采顺序划分成两个阶段，分别是工作面正常回采阶段和工作面进煤柱阶段。工作面正常回采阶段，工作面上部和下部存在周期来压不同步现象，工作面上部出现5次周期来压，平均步距为16m，下部出现4次周期来压，来压步距平均为14.1m。上部和下部有两次来压时间重合，形成了全工作面来压。工作面进煤柱阶段，工作面在进煤柱前9.7m整个工作面来压，来压期间活柱急剧下缩，最大下缩量达到1000mm，来压持续了8.4m。工作面来压时的动载系数最高达到2.0，来压剧烈。

本次研究有效地预判了工作面来压规律，为马兰矿18303工作面顶板合理有效支护提供对策。