深埋坚硬煤岩大采高长壁工作面矿压观测及显现规律

朱 涛，常云博，田春阳

(北京天地华泰矿业管理股份有限公司，北京 100013)

从1960年代中期日本专家设计了采高为5.0 m的大采高液压支架，到1970年代后期我国开始研究大采高综采技术，已经走过了将近60年的研发、生产、使用的道路[1-4]。2009年，补连塔煤矿22303大采高综采工作面安装了世界首套ZY16800/32/70D型大采高液压支架，平均采厚达到了7.55 m[5]。2018年1月，具有我国完全自主知识产权的世界首个8.8 m超大采高工作面在上湾煤矿安装成功。2019年2月，该超大采高工作面产量突破1 000万t[6]。随着采高的增大，工作面前后和两侧支撑压力、“两带”范围、初次和周期来压以及其他矿压显现等方面均有不同的特点，尤其是对于深埋坚硬煤岩大采高长壁工作面而言，分析研究其矿压显现规律和特征显得尤为重要。本文以红庆河煤矿3-1101大采高综采工作面矿压数据为基础，分析了深埋坚硬煤岩大采高长壁工作面的矿压显现规律、煤壁片帮等情况，提出了相应的安全技术措施和建议，对千万吨级矿井的安全、高效开采具有重要的支撑作用，同时也为类似煤层的开采提供了较好的参考依据。

1 工作面概况

1.1 地质概况

红庆河煤矿3-1101工作面开采延安组3-1层煤，该煤层在井田范围内全区发育，结构简单，赋存稳定。工作面盖山厚度为678.92～758.74 m。工作面长度245.75 m，回采长度2 238.7 m。煤层厚度5.52～7.2 m，平均6.36 m，煤层倾角1°～7°，平均3°。实验室对3-1101工作面3-1号煤层及其顶板、底板岩石物理力学参数分析评价见表1。

1.2 生产情况

3-1101工作面设计生产能力7.0 Mt/a，位于3-1采区西侧，沿煤层倾向南侧布置胶运顺槽，巷道采用矩形断面，净宽5 400 mm，净高3 800 mm，断面积20.52 m2。北侧布置回风顺槽，巷道净宽5 000 mm，净高4 000 mm，断面积20 m2。切眼位于3-1101工作面西部，沿煤层底板布置，净宽9.3 m，净高4.2 m，断面39.06 m2。工作面采用倾斜长壁后退式一次采全高采煤方法，全部垮落法管理顶板。

表1 3-1101工作面及其顶板、底板岩石物理力学参数分析评价表Table 1 Analysis and evaluation table of physical and mechanical parameters of coal seam and roof and floor rock in 3-1101 working face

图1 3-1101综采工作面矿压观测测站布置位置图Fig.1 Layout map of ground pressure observation station in 3-1101 fully mechanized mining face

2 工作面矿压观测方案及实施方法

3-1101工作面采用KJ21矿山压力监测系统监测支架工作阻力，全工作面共布置14个测站，测站布置见图1，重点对工作面中上部的10#支架和20#支架，中部的70#支架和80#支架，以及中下部的130#支架和140#支架工作阻力变化情况进行监测。

利用KJ21矿山压力监测系统，对支架立柱液压信息进行动态监测，研究工作面顶板在初采、正常回采期间的来压步距、支架最大载荷、来压动载系数、强度等技术参数，掌握工作面矿压显现规律，以指导工作面的安全、高效回采。

3 工作面矿压显现规律及液压支架工作状态分析

该矿压分析所使用的数据为自2016年11月11日3-1101工作面开始调试推进，到2017年11月10日一年的数据。初次来压步距在工作面推进至75 m左右时较为强烈。由于周期来压的特性，选取了2017年1月1日至2017年1月25日的时间段数据进行分析，这个期间工作面推进了约207 m。

3.1 工作面初次来压规律

3.1.1 初次来压过程

3-1101工作面自切眼推进14 m后，工作面中部直接顶开始垮落，推进到36 m左右时，采空区后方及两隅角垮落密实，整体压力一般。根据支架压力监测数据并结合现场情况综合分析，工作面初次来压步距约为45 m。工作面推进到75 m左右时，来压较为强烈，多数液压支架的安全阀达到开启状态。

3.1.2 初次来压强度

3-1101工作面初次来压主要集中在机头和中部区域，机尾段压力显现始终较为缓和。初次来压液压支架循环末阻力及动载系数统计表见表2。由表2可知，顶板初次来压时，在压力显现强烈的区域，液压支架的平均循环末阻力达9 386 kN，动载系数平均为1.23，动载现象明显。

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3.2 工作面周期来压规律

3.2.1 周期来压步距

选取2017年7月1日(工作面推进229.6 m)到2017年7月25日(工作面推进到436.6 m)期间完整性较好的矿压数据进行分析。观测期间，3-1101工作面监测到11次周期来压，来压步距最小值为8.1 m，步距最大值为27.9 m，步距总平均值为17.2 m。各测站测得的周期来压步距见表3。

表2 初次来压液压支架循环末阻力及动载系数统计Table 2 Statistical analysis of end-cycle resistance and dynamic load coefficient of hydraulic support during initial pressure

表3 各支架分析的周期来压步距Table 3 Periodic weighting step of each hydraulic support analysis

3.2.2 来压强度及动载系数分析

3-1101工作面周期来压时液压支架的循环末阻力值统计曲线如图2所示。来压时循环末阻力区间为10 791.00～16 017.23 kN，平均为13 092 kN，占液压支架额定阻力的87%。

观测期间，3-1101工作面基本顶周期来压的动载系数统计见表4。由表4可知，处于3-1101工作面中部的70#支架和80#支架的动载系数较小。整个工作面基本顶周期来压时动载系数为1.03～1.68，平均系数1.32，动载现象明显。

3.3 工作面液压支架工作状态分析

监测期间，3-1101工作面液压支架在低阻力区间所占的比例达到了13.3%，正常阻力区间所占比例为77.1%，处于高阻力区的比例为9.6%，说明在初采期间工作面压力整体正常。

图2 周期来压时支架循环末阻力值统计曲线Fig.2 Statistical curve of end-cycle resistance of hydraulic support under cyclic pressure

表4 周期来压动载系数统计表
Table 4 Statistical table of dynamic load coefficient under periodic weighting

顺序10#支架20#支架70#支架80#支架130#支架140#支架周期来压动载系数一1.521.341.311.301.311.41二1.471.471.221.181.271.40三1.201.17--1.301.36四1.281.431.361.271.481.29五1.341.351.251.251.231.44六1.381.301.211.211.381.23七1.481.321.261.311.321.22八1.251.371.161.19-1.42九1.471.351.031.161.321.47十1.681.381.121.171.47-十一1.411.401.251.271.201.51平均值1.32

初撑力是液压支架顶梁对顶板的主动支撑力，对于防止顶板产生离层、有效发挥液压支架性能有着重要的作用[7-8]。液压支架的额定工作阻力为7 754 kN，监测期间，液压支架的初撑力最大值为14 355.23 kN，初撑力最小值为347.86 kN，平均初撑力8 710.27 kN，平均初撑力合格率为86.44%，初撑力水平整体上较好。

监测期间，液压支架安全阀的开启情况统计见表5。通过分析表5可以得出，安全阀的平均开启率为5%，开启率偏大。

监测期间，液压支架左右立柱平均循环末阻力统计见表6。由表6可知，70#支架左右立柱循环末阻力比值相比较其他支架小，判断仍有一些液压支架的不平衡率不满足要求。不平衡率平均为93.8%，整体合格。左右立柱受力相差较大的原因有：①检修班期间没能保证液压支架的两个支柱全部保持主动支撑状态；②顶板断裂时两柱受力不均匀；③顶底板平整度较差。

表5 液压支架安全阀开启情况统计表Table 5 Statistical table for opening of safety valve of hydraulic support

表6 液压支架左右立柱平均循环末阻力统计表Table 6 Statistical table of average end-cycle resistance of left and right pillars of hydraulic support

4 工作面煤壁片帮情况统计分析

大量的工作面煤壁片帮现场实测、理论分析和数值模拟等方法得出的结论是随着工作面采高的增大，煤壁片帮的概率相对增加。由于3-1101工作面为深埋大采高工作面，生产过程中极易发生工作面煤壁大面积片帮的情况，给工作面安全生产带来隐患。通过现场对3-1101工作面煤壁片帮的观测，开采初期，工作面煤壁片帮现象较少，仅在机头1#支架～5#支架和机尾140#支架～143#支架的范围内出现，深度最大在0.3 m左右。随着工作面推进，煤壁片帮现象在全工作面开始出现。观测期间，最严重的一次片帮发生工作面第7次周期来压时，地点在70#支架～87#支架之间，经测量，片帮深度达到了980 mm，上下高度达2 100 mm，同时煤壁发出有“噼噼”的声音。当工作面处于非来压期间时，煤壁的片帮深度、上下高度和破坏范围均比较小。当工作面处于在周期来压期间或工作面推进速度较慢时，煤壁片帮的深度、上下高度和范围均相对较大，特别是在工作面中部65#支架～90#支架、工作面机头2#支架～5#支架和机尾141#支架～143#支架范围内的部分区域片帮较为严重。片帮发生率、深度和高度的观测结果见表7。

表7 3-1101工作面煤壁片帮情况统计表Table 7 Statistical table of rib spalling in 3-1101working face

5 建议及措施

1) 观测期间，支架初撑力最大值为14 355.23 kN，初撑力最小值为347.86 kN，平均初撑力8 710.27 kN，合格率为86.44%。虽然个别液压支架的实际初撑力偏低，工作阻力较小，但来压时动载系数较大，如20#支架、70#支架和80#支架，说明顶板控制效果一定程度上并不理想，存在工作面片帮及顶板破碎区域的端面顶板冒漏的情况。日常要加大对供液系统的检修力度，以保证乳化液泵站压力大于31.5 MPa，加强对支架初撑力的管理，提高支架初撑力，满足《煤矿安全规程》要求。

2) 实测工作面支架工作阻力超出额定工作阻力、安全阀开启大多发生在来压期间，少部分发生在工作面推进速度慢时。因此，当顶板来压时，应认真检修、维护重点区域工作面设备，提高支架的工作性能及顶板支护质量。按照要求对工作面进行推进，必要时加快推进速度，甩掉工作面上部岩层的部分压力。

3) 第5次周期来压后，实测70#支架工作阻力达到了16 017.75 kN，超出了额定工作阻力，但安全阀长时间未有开启，说明个别支架运行状态较差。建议对支架的安全阀质量进行全面检测，及时更换不合格的安全阀，确保液压支架运行安全可靠。

4) 当工作面处在周期来压期间或工作面推进速度较慢时，工作面煤壁片帮的深度、上下高度和范围均相对较大，建议对顶板压力大的工作面区域、节理裂隙较发育的煤体采用玛丽散、洛克休等矿用加固材料实施超前加固，以有效提高煤体的整体性，最大程度防止片帮的发生。