补连塔矿12511综采工作面矿压显现规律

刘柄良

（国家能源集团神东煤炭集团公司 补连塔煤矿，内蒙古 鄂尔多斯017209）

根据国务院《能源发展战略行动计划（2014—2020 年）》[1]，神东矿区成为我国中间建设的14 个亿吨级大型煤炭能源基地中之一，矿区煤矿储量达1 349.4 亿t，是我国目前规模最大的优质造气动力煤田，对于保障我国的能源安全发挥了了重要的作用[2-3]。区内煤层埋藏浅、倾角小、厚度大，适用于大采高和特大采高综采等煤炭开采技术与方法[4-7]。

国内外学者针对神东矿区内不同开采技术条件的矿压显现规律进行了大量研究，申路路等人[8]采用现场实测和理论分析的方法对大柳塔矿大采高工作面巨厚基本顶的结构及运移特征进行分析，建立了巨厚基本顶周期来压过程中岩层破断模型。邸帅[9]等人以上湾煤矿12205 综采工作面为例，采用理论分析、数值模拟与现场实测方法，研究综采工作面在平直与山丘地形下矿压显现的异同，通过应力传递力学模型确定山丘坡度、高度为矿压显现主要影响因素，进而利用数值模拟分析坡度、高度对矿压显现的影响。杨俊哲、侯志成等人[10-11]以神东矿区7.0 m 特大采高工作面为研究对象，采用现场实测、理论分析和物理模拟的方法开展矿压显现规律研究，结果表明特大采高工作面矿压显现较普通采高工作面更加强烈，7 m 大采高“刀把”工作面初采阶段呈现出初次来压步距较长、来压强度较低的矿压规律。目前，针对近浅埋煤层8 m 特大采高工作面矿压显现规律的研究还较少，因此，研究掌握浅埋深大采高和特大采高工作面矿压显现规律，对浅埋采场的合理支护、巷道开挖与支护方式的选择，均具有重要的理论意义和工程应用价值。

1 工作面概况

补连塔煤矿12511 综采工作面位于1-2 煤五盘区，工作面采用倾斜长壁后退式开采工艺，走向长度319.1 m，倾向长度3 139.3 m。开采煤层平均厚度7.44 m，一次采全高，全部垮落法处理顶板，“U”型全负压通风方式。工作面北西方向为12512 综采工作面，南东方向为已回采的12510 综采工作面，南西为设计中的12508 综采工作面，北东方向为1-2煤五盘区3 条大巷。工作面上覆基岩厚度为233~271 m，直接顶为砂质泥岩，平均厚度7.7 m；基本顶为砂质泥岩，平均厚度96.1 m；松散层厚度为0～27 m，属于近浅埋煤层[12-14]。12511 综采工作面液压支架共155 台，均选用郑煤机生产的掩护式液压支架。其中，工作面中部架选用ZY21000/36.5/80D 型支架，共149 台；端头架选用ZYT18000/28/55D 型支架，共6 台。

2 工作面矿压实测及分析

2.1 工作面矿压观测方法

通过工作面安装的尤洛卡支架阻力监测系统对12511 综采工作面初次来压、周期来压进行监测与分析，工作面间隔5 架选取1 台支架作为研究对象，即选取工作面编号为5#、10#、15#、…、155#支架作为分析目标，以工作面每班推进度与每班末支架阻力绘制工作面支架阻力云图，图中颜色由浅至深依次表示顶板压力大小，通过颜色及深浅度可直观展现支架受力分布及顶板来压区域，进而判定工作面初次来压、周期来压。

2.2 工作面初次来压规律

工作面开采初期的支架工作阻力分布如图1。从图1 可以看出，工作面部分支架阻力监测出现异常情况，其中65#支架从工作面开切眼至推进52.1 m 范围内无监测数据；工作面推进6～12.8 m 期间，5#～70#支架基本无数据，70#～150#支架阻力异常（图1 中白色区域）；工作面35#、40#支架长时间呈现高阻力状态，分析原因是由于支架参数设定不恰当导致。工作面推进至约44 m 处，35#～60#、125#～135#支架均表现为高工作阻力，阻值均大于支架额定工作阻力90%，因此判定工作面顶板初次来压（图1 中深色圈定区域），即工作面初次来压步距为44 m。

2.3 工作面回采初期周期来压规律

工作面初次来压后，进入周期来压阶段。选取工作面推进237.2~311.8 m 时间段支架阻力为研究对象，分析工作面支架工作阻力变化，研究工作面周期来压规律，确定周期来压步距。

工作面推进237.2~311.8 m 时间段的支架工作阻力分布如图2。由图2 可以看出，工作面支架工作阻力呈现周期来压规律性，工作面推进237.2～311.8 m 段共周期来压6 次，来压段分别为推进242、252.7、266.5、278.2、291、300.7 m 处，周期来压步距分别为10.7、13.8、11.7、12.8、9.7 m，工作面周期来压平均步距为11.74 m。回采初期周期来压步距统计见表1。

图1 工作面初次来压阶段支架阻力分布图

图2 工作面推进237.2～311.8 m 段支架阻力分布图

表1 回采初期周期来压步距统计表

工作面回采初期，不同位置支架工作面来压显现特征有所不同，呈现如下规律：

1）工作面周期来压对支架作用强度整体显示出一定交替性的规律。本次周期来压显现较为强烈区域下一次周期来压显现有所减弱，相反本次周期来压显现较为平缓区域在下一次周期来压中将有较为强烈的来压表现。

2）工作面两侧区域周期来压表现不明显。工作面推进237.2~311.8 m 范围支架阻力云图可以看出，第1#～25#支架、135#～159#支架周期来压变现不明显，支架阻力较为平稳。

3）工作面周期来压时，部分支架的工作阻力超过了额定工作阻力，支架工作阻力最大达53.9 MPa。

2.4 工作面回采中期周期来压规律

选取工作面推进1 243.4～1 340.8 m 时间段支架阻力为研究对象，分析工作面支架工作阻力变化，研究工作面正常回采阶段周期来压规律。

工作面推进1 243.4～1 340.8 m 时间段的支架工作阻力分布如图3。由图3 可以看出，工作面支架工作阻力呈现周期来压规律性，工作面推进到1 243.4～1 340.8 m 段共周期来压7 次，来压段分别为推进1 247.2、1 259.8、1 275.1、1 290.4、1 303、1 316.5、1 331.8 m 处，周期来压步距分别为12.6、15.3、15.3、12.6、13.5、15.3 m，工作面正常回采期间周期来压平均步距为14.1 m，回采中期周期来压步距统计表见表2。

图3 工作面推进1 243.4～1 340.8 m 段支架阻力分布图

表2 回采中期周期来压步距统计表

工作面正常回采期间周期来压特征与回采初期阶段有所不同，正常回采期间工作面周期来压步距比回采初期阶段来压步距大，回采初期阶段工作面推进速度慢，推推停停相当于停采等压效果，周期来压步距小。工作面105#～135#支架周期来压较35#～70#支架来压稍微滞后，且周期来压强度较强，来压持续时间较长。

2.5 来压强度分析

根据12511 工作面压力监测数据分析，工作面推进237.2～311.8 m 期间动载系数统计见表3。由表中可以看出，非来压期间支架工作阻力平均值为31.03 MPa，为支架额定工作阻力47.6 MPa 的65.2%；来压期间支架工作阻力平均值为43.27 MPa，为支架额定工作阻力的90.9%。工作面周期来压动载系数为1.39，动载系数偏大，主要原因在于非来压期间工作面支架工作阻力较低，平均值低于支架初撑力35 MPa。

3 支架初撑力及工作阻力分析

3.1 支架初撑力分析

我国大采高综采工作面生产实践表明，液压支架初撑力是支架与围岩关系中重要影响因素。合理的初撑力可以确保支架按设计的增阻，使支架处于合理的工作状态，发挥其最大的支护效能。同时，可以有效抑制顶板的早期下沉，最大限度的保持直接顶（顶煤）的完整，防止冒顶及顶板下位岩层与上位岩层离层，有效的避免动压冲击。

根据生产期间，对12511 工作面支架初撑力实测结果发现，初撑力合格率仅为42.44%，大部分支架的初撑力都没有达到预设初撑力的要求，降低支架的支护效果。通过提高泵站压力至额定值及减少漏液与管路接头局部压力损失等手段，将工作面支架平均初撑力提高至额定初撑力的84.3%，满足了工作面支护要求。

3.2 支架工作阻力分析

工作面支架工作阻力合理性评价采用工作阻力分布统计分析的方法[15]，按照额定工作阻力（47.6 MPa）的20%，划分5 个区间，分别统计支架工作阻力在各区间所占的百分比。对于理想的支架工作阻力分布应符合正态分布。处于低阻力和高阻力所占整个区间很少比例，中间部分所占比例较大。若低阻力所占比例较大，说明支架并未充分发挥作用；若高阻力所占比例较大，说明支架富余系数偏小。在12511 工作面上部、中部、下部各选定1 个支架作为支架工作阻力分布研究对象进行分析，选定支架分别为28#、75#及123#，各个支架工作阻力的频率分布见表3。

分析表3 中数据可以发现，各支架工作阻力分布具有类似特征，所有支架受力主要集中在正常阻力区，支架在正常阻力区间所占的比例达到了76.1%，低阻力区和高阻力区的比例分别为14.5%和9.4%，高于支架额定工作阻力的比例仅占0.5%，支架日常工作阻力分布属于正态分布，工作面支架整体处于较好工作状态。

表3 各支架工作阻力分布表

4 结 论

1）补连塔煤矿12511 特大采高工作面初次来压步距44 m，回采初期周期来压平均步距为11.74 m，正常回采阶段周期来压步距为14.1 m。工作面周期来压对支架作用强度整体显示出强、弱交替变化规律，周期来压强度呈现“两端小，中间大”的特征。

2）近浅埋煤层特大采高工作面矿压显现较为剧烈，非来压期间支架工作阻力平均值为31.03 MPa，为支架额定工作阻力的65.2%；来压期间支架工作阻力平均值为43.27 MPa，为支架额定工作阻力的90.9%，工作面周期来压动载系数为1.39。

3）12511 综采工作面支架平均初撑力达到额定初撑力的84.3%，工作阻力分布属于正态分布，工作面支架整体工作状态良好。