伊犁矿区浅埋深“三软”厚煤层首采工作面矿压规律研究

任艳芳

(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)

新疆伊犁矿区是我国重要的煤炭资源开发基地之一，具有煤层厚度大、储量丰富、埋藏深度浅、成岩地质年代晚等赋存特点[1，2]。以往研究成果表明，浅埋煤层覆岩破断速度快，矿压显现特征较为特殊[4-8]。由于软岩矿井开采条件的复杂性，为采场岩层控制带来了新的挑战[9-11]。因此，浅埋深“三软”厚煤层矿压显现规律和支架适应性的研究，能够为工作面安全高效回采提供有益借鉴。

伊犁四矿位于新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州霍城县东南部，行政区划隶属霍城县惠远镇及伊宁市英也尔乡，是新疆伊宁矿区首个投产的高产高效现代化矿井。矿井设计生产能力6.0Mt/a，为伊北20亿Nm3煤制天然气项目配套工程。伊犁四矿是首次在伊宁矿区浅埋深、薄基岩、“三软”煤层及顶水条件下采用综放开采的矿井，周边没有可供借鉴的实际开采经验。因此，研究和掌握伊犁四矿首采工作面矿压规律，一方面，对伊犁四矿后续实现安全高效稳产具有重要意义；另一方面，对掌握该条件下煤层开采覆岩破坏特征，研究适合的采煤方法及设备选型配套也有重要示范指导作用[12-17]。

1 工程概况

1.1 工作面地质概况

根据矿井开拓方式及采区划分，21103工作面是矿井21-1煤层首采11采区的试采工作面，工作面宽度120m，走向推进长度1600m。21103工作面作为矿井试采工作面，周边无开采区，地表总体地势南部高北部低，属低山丘陵地貌，地面标高为+853～+950m，煤层底板标高为+686～+885m，煤层埋深63～167m，平均埋深约120m。回采巷道采用双巷布置，沿煤层底板掘进，工作面运输巷进风，工作面回风巷回风。工作面巷道布置如图1所示。

图1 21103工作面巷道布置图

工作面煤层厚度4.2～8.5m，平均7.1m，从开切眼开始，自南向北煤层厚度逐渐加厚；煤层倾角4°～10°，平均6°；煤层单轴抗压强度11.16～14.23MPa，煤层硬度偏软。煤层顶板岩性主要为灰色中砂岩、细砂岩、泥岩与砂岩互层，单轴抗压强度为12.2～16.3MPa，抗拉强度为0.87～1.25MPa，软化系数一般0.02～0.25，属软质岩类。底板岩性主要为炭质泥岩、泥岩、细砂岩，单轴抗压强度为15.17～17.03MPa，抗拉强度为1.03～1.19MPa，软化系数一般为0.02，属软质岩类。煤层顶底板岩层强度低，且遇水软化、易风化崩解，无厚而坚硬的基本顶和基本底，属于“三软”煤层。位于工作面开切眼附近的ZK302钻孔柱状图如图2所示，工作面上方基岩厚度仅为17m左右，上方依次为13m厚的古近系松散层和26m厚的黄土层，属典型的浅埋深薄基岩顶板，在基岩层发生破断后，上覆松散层和黄土层发生同步下沉破断。

图2 ZK302钻孔柱状图

1.2 开采技术条件

21103工作面设计采用综采放顶煤工艺开采，设计割煤高度为3.5m，放煤高度平均为3.6m，采放比平均约为1∶1。考虑到试采工作面面临的未知安全风险，结合煤层厚度赋存情况，制定了分段限厚开采方案，开采初期只采不放，采高为4.0m左右，采中根据现场情况逐步放大，分阶段探索采后的覆岩破断规律。

21103工作面中部采用59架ZFY13000/24/42型两柱掩护式放顶煤支架，两侧各采用1架ZFGY13000/24/42型两柱掩护式中间过渡支架，过渡支架采用“头3尾4”布置，过渡支架型号为ZFG15000/27/42型反四连杆四柱支撑掩护式支架。工作面矿压监测采用天地科技股份有限公司研发的KJ21矿山压力监测系统，分别在8、16、24、32、40、48、55、63号支架安装监测仪器，监测立柱与平衡千斤顶受力。

2 工作面矿压显现规律及支架适应性分析

2.1 工作面顶板来压规律

根据现场观测，工作面推进11m时，41～56号支架、12～37号支架直接顶开始垮落，工作面推进11.8m时，41号支架至上端头直接顶全部垮落，期间工作面无明显的压力现象。工作面推进至21m左右，基本顶初次来压，工作面支架压力开始明显升高。21103工作面支架循环末阻力曲线如图3所示，通过分析各支架循环末阻力曲线，对工作面初次来压步距和周期来压步距进行了分析，将支架的平均循环末阻力与其1倍均方差之和作为判断顶板来压的依据。

图3 21103工作面支架循环 末阻力曲线及顶板来压判别

21103工作面顶板来压特征见表1。由表1可知，工作面初次来压动载系数平均为1.22，周期来压动载系数平均为1.25，工作面周期来压步距平均为11.0m，来压持续长度一般为0.8～1.6m，平均1.1m。21103工作面顶板来压具有动载系数小、来压步距短、来压持续长度短等特点。

表1 21103工作面顶板来压特征

21103工作面支架工作阻力等值线云图如图4所示。由于工作面长度较短，工作面全长来压同步性明显；在经过初采期间设备的磨合期后，工作面推进速度加快，周期来压间隔步距缩短，并且在工作面进入充分采动以后，工作面来压频繁且强度增大。但整体而言，工作面矿压显现并不强烈，支架安全阀循环开启率平均在5%以下，且煤壁完整性较好，片帮程度较轻，片帮深度一般在0.5m以下。

图4 21103工作面支架工作阻力等值线云图

21103工作面在回采初期的埋藏深度在60～120m以内，属典型的浅埋深工作面，在开采期间伴随地表台阶性下沉的现象，但地表下沉幅度小，一般在10cm以内；21103工作面地表裂缝平面图如图5所示，根据地表裂缝观测，地表裂缝位置与工作面煤壁位置基本相齐，说明工作面顶板破断位置基本在煤壁附近，顶板断裂及时，不易形成悬顶。

图5 21103工作面地表裂缝平面素描图

通过与我国鄂尔多斯地区神府—东胜矿区浅埋深薄基岩综采工作面矿压显现规律对比可知，伊犁四矿21103工作面矿压显现规律也表现出了周期来压步距短、地表台阶状下沉等浅埋深薄基岩综采工作面矿压显现的共性特征，但21103工作面矿压显现强度更弱、顶板来压持续长度更短，这与神东—东胜矿区浅埋深薄基岩综采工作面矿压显现异常强烈、极易发生切顶压架的强矿压现象截然不同。例如，神东石圪台煤矿31201工作面埋深平均120m左右，采高同样为4.0m左右，工作面支护采用18000kN两柱掩护式支架，但依然发生多次压架事故，最严重时造成工作面112台支架同时压死，支架活柱下缩量达到1.5m。分析造成这一显著差异的主要原因是伊犁矿区煤层顶板强度更低，没有厚硬顶板存在，顶板能够及时垮落，顶板断裂时不易形成大的动载冲击，而神府—东胜矿区工作面砂岩顶板的强度普遍在30～60MPa，且顶板单层厚度往往在10m以上，甚至呈几十米的巨厚层状发育，顶板断裂时的动载冲击更大。

但对于21103工作面这样的浅埋深薄基岩“三软”煤层工作面，顶板在煤壁附近断裂，仍有发生顶板沿煤壁切落的可能性，且顶板强度低、易风化、遇水软化的性质决定预防端面漏顶是工作面顶板管理的重点工作，因此需要采取提高支架初撑力加强主动支护、及时移架减少端面距、加快工作面推进速度减少顶板下沉时间等顶板管理措施。

2.2 支架适应性分析

支架工作阻力频率分布是分析支架的工作状态及适应性的重要指标。统计了21103工作面自开采以来的支架工作阻力频率分布特征，如图6所示。

图6 支架工作阻力频率分布直方图

分析图6可知，支架工作阻力主要分布在6000～9000kN区间范围内，所占百分比达到67.6%，工作阻力频率分布整体呈正态分布，频率分布峰值位置位于7000～8000kN区间，支架工作阻力频率分布合理，表明工作面采用现有工作阻力13000kN支架仍有一定富余量，支架选型合理，适应性较好。

3 超前支承压力分布规律

在21103工作面前方20～30m的回风巷内安装了3组钻孔应力计，用于监测基本顶初次来压期间工作面超前支承压力分布规律。1#—3#测点钻孔应力计测得的煤体应力曲线如图7所示，3个测点距切眼煤壁的距离分别为20m、25m、30m，安装深度分别为3m、5m、7m。3个测点的监测结果统计见表2。由监测数据分析可知，21103工作面超前支承压力分布具有以下特点：①超前支承压力整体缓和，应力集中系数较低，应力集中系数分布范围为1.08～1.37，平均1.20；②超前支承压力影响范围小，影响范围的分布区间为7～10m，平均8.3m，远低于一般工作面的30～100m；③应力峰值靠近煤壁，峰值超前煤壁距离平均为1.0m，工作面前方煤体前方塑性区范围小；④煤壁附近无明显的应力降低区，这与我国中东部矿区采场超前支承压力“三区”分布的特征也有很大不同。

图7 各测点煤体超前应力监测曲线

表2 钻孔应力计监测数据统计

工作面超前支承压力分布规律一般受到煤层埋藏深度、煤体强度和采出厚度等多种因素的影响，分析21103工作面超前支承压力分布呈现以上特征的原因主要有以下几点：

1)工作面埋藏深度浅。21103工作面初采期间平均埋藏深度仅为60m左右。根据经验公式，超前支承压力峰值距煤壁距离x与埋深H的关系满足：x=0.015H=0.9m，这与实测结果基本相符。由于埋深浅，工作面采空区上覆岩层重量γH的绝对值较小，从而使得作用在工作面周围煤体上的支承压力也较小。

2)顶板强度低。支承压力峰值超前煤壁距离一般与顶板强度成正比，与煤体强度成反比。根据煤岩物理力学测试结果，21103工作面顶板和煤层的天然单轴抗压强度相差无几，且直接顶在较长时间暴露后风化松散或遇水软化，其强度反不如煤层强度。因此，当顶板在采动影响下发生离层、断裂时，煤体往往还处于弹性状态，变形量较小。

3)顶板断裂靠近煤壁。由于煤层埋藏浅、基岩薄、顶板软，开采引起的顶板运动涉及到整个上覆岩层，地表出现整体台阶下沉，老顶岩梁在工作面推进方向上传递载荷的能力大为下降，覆岩运动形成的支承压力小且不能深入煤体深部，对前方煤体的破坏作用较小。

由于煤壁未遭破坏，覆盖岩层间保持了较高的接触应力，很难沿层面剪切滑移，这就决定了采场上覆各岩梁间的离层不可能深入到煤壁前方。因此，各岩梁的断裂只能在煤壁处发生。根据工作面和巷道矿压观测结果，在开采过程中，工作面前方的巷道顶板始终没有明显离层或下沉，且工作面煤壁完整。

4 结 论

1)伊犁四矿21103工作面属浅埋深薄基岩“三软”厚煤层开采条件，工作面基本顶初次来压步距约21m，周期来压步距平均11m，动载系数平均1.22～1.25，工作面矿压总体显现不强烈，具有来压步距短、来压强度小、来压持续长度短等特点；且根据工作面地表岩移观测，工作面顶板断裂位置在煤壁附近，地表呈现轻微的台阶状下沉。

2)通过与我国神府—东胜矿区等其他矿区浅埋深薄基岩工作面的矿压规律对比得出，21103工作面“三软”煤层的性质是造成工作面在浅埋深薄基岩条件下矿压显现强度偏弱的主要原因，针对该类型顶板条件，提出了提高支架初撑力、减少端面距、加快工作面推进速度等顶板管理措施。

3)ZFY13000/24/42型两柱掩护式液压支架对21-1煤层开采适应性较好，可以满足开采要求。

4)21103工作面超前支承压力分布具有应力集中系数低、超前影响范围小等特征，分析煤层埋藏深度浅、顶板强度低、顶板靠近煤壁断裂等是造成该现象的主要原因。