大采高综采矿压显现规律实测研究

（山西汾西矿业集团正新煤焦公司和善煤矿 山西 046500）

1.引言

经过我国多年的发展和完善，高海拔综采已经取得了积极的成果。根据成功生产高度综采井的实际情况，可以看出，高海拔综采对提高井底开采速度，减轻工人的劳动强度具有重要作用。减少工作面的粉尘并提高工作面的速度。然而，随着矿井高度的增加，高矿井高度对工作间隙的压力，高矿井高度对煤壁的控制以及上覆煤层的运动呈现出新的特征。在一个真实的项目中，对高开采高度的综采工作面的地下压力表现形式进行观察，分析和概括，以及明确煤层特定地质条件下的内部形态，将有助于确保安全性。

2.室内相似模拟试验研究

(1)试验模型设计及测试系统

根据杭来湾煤矿的开采条件，在平面物理模型框架上进行了测试，同一物理模型的长度，宽度和高度分别为3.0m、0.2m和1.33m。物理模型的几何相似常数为CL=100，堆积密度相似常数Cγ=1.6，重力加速度相似常数Cg=1，位移相似常数CS=100，弹性模量相似常数CE=160。实验中使用的类似材料是河砂，水泥。该模型使用分层堆叠方法，并且针对每个岩石层选择云母片作为分层节理。干燥后，通过添加铁砖安装模型，并在模型的上表面施加15.5MPa的均匀载荷。在测试模型的表面上共有84个光学全站仪测量点，以测量模型位移。在该型号的关键级别上安装了11个百分表，以检查沉降。将CL-YB-114压力施加到煤层上以检查压力值，用于测试工作面上的支撑。测试模型的底部、百分表、全站仪测量点和压力传感器的位置如图1所示。

图1 模型测试系统布置

(2)试验过程

在模型右侧距支架边缘40cm处钻出一个切口，以减少边缘效应对测试的影响。切口的高度和宽度分别为50cm和80cm，完成切口后，拧紧模型支架。将角墙沿前进方向放置在切口中，预设插入力为5189kN。然后将工作面向前移动4cm/步，挖掘高度为5cm。在测试中总共进行了53次挖掘，工作面长度为212m。

(3)工作面矿压显现规律

①支撑载荷的阻力系数和工作表面的动力学可以从测试模型上的支撑载荷中获得。支架的最小操作电阻力为5060kN，最大操作电阻力为10850kN，平均操作电阻力为6014kN。

②当支撑工作阻力超过其加权平均工作阻力时，这就是最高压力。在测试期间，当工作间隙移动60m时会出现第一个压力，工作间隙经历了9个压力循环，并且循环压力是逐步的，12m-20m，平均周期为15.56m。

③支架的动态载荷系数与行进距离之间的关系如图2所示。处于压缩状态的支架的动态载荷系数＞1.4。在第一周期的压缩中，支架的动态载荷系数最小，为1.47。在第三周期的压缩中，支架的动态载荷系数最高，为1.98。当上覆地层的两个关键层同时倒塌时，支撑的动态载荷系数最高。由于第一关键层和第二关键层的协调运动，支座的动态载荷系数趋于变化：大→小→大→小。

图2 来压时支架动载系数与推进距离关系

④在试验中，在第三至第八个周期中出现了大、小周期的明显交替，上覆层的迁移特征如表1所示。

表1 大小周期来压上覆岩层运移特征

当工作面移动104m时，出现第三次循环的压力，这是该次循环的较高压力。这时，第一关键层被定期破坏，同时，第二关键层被第一次破坏，第二关键层的上覆载荷层被部分破坏。塌方岩层的高度为83m，未破碎岩层的悬垂长度为35m，自由空间为1.5m。上覆层清晰地分为三个区域，塌陷区的高度为16m，压裂带高度为57m，下沉挠度带高度为9m，煤壁崩落角为68°，工作时崩落角为63°。

3.工作面矿压观测及结果分析

(1)矿压观测方案设计

在观察过程中，在工作面长度的中间安装了一条测量线，仅安装了3组支架，即70#，71#和72#支架。距机器头部30m的下部和3个观察支架，即19#，20#和21#。在支架尾部30m的工作面上部，有3个观察支架，分别是121#，122#和123#。

为了能准确地捕捉到工作面的初次来压和周期来压，对于正常开采时期（即初次来压前、初压与第一次周压期间以及周压与周压之间）的采样周期可以确定为1次/d，而对于所有的初次来压期间和需要观测的4次周期来压期间，其采样周期可以确定为30min/次，维持时间应为来压开始直至来压结束，一般为1d～2d。

(2)矿压显现规律研究分析

在工作面的开发过程中，支撑阻力不断变化，其技术特点是每个支撑的阻力或分布范围，位置以及纵向最大压力值的增减工作面是动态的。当延伸到41.74m的高度时，可以听到屋顶的破裂声。超过30MPa的支撑件数量从展开时起即达到最大值（25以上），开始破坏岩层，这是工作面上的第一个压力的开始。由于工作面控制系统的累积统计数据未考虑缺口眼的宽度，并且缺口眼的宽度为8.5m，因此初始压力阶跃的初始值为50.24m。第一次按压时，51101工作面的平均进给距离为49.94m。加上凹槽的宽度为57.44m。

根据支撑工作面大于30MPa时机架数量的统计数据，绘制时间与机架数量（＞30MPa）的关系。

(3)工作面周期来压规律的观测分析

施加初始压力后，观察液压工作面的支撑阻力和岩压的工作面的外观，并在施加压力5时对工作面线进行5次测量，收集到的支撑载荷观测数据在周期中施加压力时，观察时间为30分钟60分钟。在比较工作面5条测量线数据的结果的基础上，给出了工作面5个压力循环的基本情况，如表2所示。

表2 51101工作面周期来压的统计分析表（单位：m）

由表可知，51101工作面的顶板周期来压有如下特点：

①工作面中部的压力相对均匀，压力级之间的距离相对稳定，但是头尾测量线（尤其是尾部测量线）受出口边界和阶段影响变化很大，并且压力步距之间的距离变小。一般而言，在两个安全出口的附近的顶板受到支撑压力的叠加的影响，虽然压力频繁，但是台阶之间的距离变短。后部V线的平均压力跨距仅为13.3m。

②在工作表面中间的三个测量线（II，III，IV）的支撑载荷的变化可以客观地反映屋顶上周期性压力的动态变化。这三个测量线的周期性压力阶跃的平均值为20.6m，沿着5条大地测量线的步距的总平均值为19.32m。

4.总结

由于工作表面的长度较大，顶板压力的位置和载荷范围的增加表现出更大的随机性，在工作压力期间，支撑物在整个工作表面上的载荷相对较高。压力在工作面纵向上的分布如下：顶板压力最高，支撑载荷最高；中部岩体压力最高。中间附近的上部区域上方的岩石中压力大。中间附近的下部和上部区域在上方的岩石中压力大，支撑负荷略小于平均值；当机器的头部和尾部处于该区域时，压力似乎是最弱的，而支撑载荷似乎是最低的。因此，我们必须继续研究工作面中的压力的强度特性，为合理确定支撑框架的阻力类型和支撑方式提供基础。