榆树坡矿5105综放工作面矿压显现规律探索

程德中

（山西宁武榆树坡煤业有限公司，山西 宁武 036700）

当前，我国厚煤层，尤其是特厚煤层的开采方式仍然以综合机械化放顶煤开采方法 （以下简称综放开采）为主［1-3］。由于一次采出煤量较大，使得工作面采场空间达到普通综采的数倍以上，而矿压显现规律也愈加复杂化，这给矿井正常生产带来一定影响［4］。因此，了解并掌握综放工作面矿山压力显现规律，并据此指导工作面支护设计及管理，对于工作面的安全高效生产具有重要意义［5-6］。本文以榆树坡矿5105综放工作面为研究背景，通过对工作面回采期间支架工作阻力及工作面超前支承压力进行监测，得到了工作面初次来压步距、周期来压步距及来压强度，同时根据煤壁前方支承压力分布特征，得到了工作面超前支护设计的关键参数。

1 工程背景

榆树坡矿位于山西省忻州市宁武县东北方向约2 km处，井田面积为15.024 7 km2，设计生产能力为1.20 Mt/a。5105 工作面位于5#煤层一采区，煤层结构较为简单，含4 层碳质泥岩夹矸。工作面东部为还未掘进的5107 工作面，西部为铁路保护煤柱，南部为1214 回风大巷，北部是未开采实体煤。工作面上覆2#煤层1201 采空区。工作面直接顶为泥岩，平均厚度为22.65 m，岩性特征为黑色、脆而硬，含有燧石结核和黄铁矿；直接底为砂质泥岩，平均厚度为2.6 m，岩性特征为黑色，薄层状，含植物化石，老底为细砂岩，平均厚度为8.46 m，浅灰白色细砂岩，含黄铁矿成份以石英为主。

5105综放工作面标高+968～+1 125 m，对应地表标高+1 370～+1 456 m，工作面走向长度1 406 m，倾斜长度177 m，煤层厚度13.25～13.70 m，平均13.50 m，倾角5°～25°，平均15°，采高为3.8 m，放煤高度为9.7 m，采放比为1∶2.55。工作面共布置ZFY13000/24/40D型放煤支架110架，ZFG13000/27.5/42D 型过渡支架 7 架，ZTZ20000/27.5/42 型进风端头支架1 架，ZFG1 3000/27.5/42 型回风端头支架1 架。

2 工作面矿压显现规律研究

为监测5105综放工作面支架工作阻力，在工作面编号为1#，11#，21#…101#，110#的液压支架上共布置12 个矿压监测站，监测仪器采用YHY60（B）矿用本安型数字压力计，对工作面顶板压力进行动态监测，工作面测站具体布置见图1。

图1 5105 工作面测站布置

监测期间，5105 工作面推进距离为100 m，累计推进125 个作业循环。分别取工作面3#、7#、11#测站（21#、61#、101#支架）对应支架循环工作阻力曲线进行分析，见图2，据此可以得到5105 工作面初次及周期来压步距和来压强度。

图2 不同位置处支架工作阻力曲线

式中：Pti为液压支架每一工作循环的末循环工作阻力，MPa，n为循环数。

顶板来压强度通过动载系数K来表示，其计算方法见公式（4）。

式中：Pz为来压阶段支架工作阻力平均值，MPa；Pf为非来压阶段支架工作阻力平均值，MPa。

由图2 可知，工作面顶板初次来压位置约为开切眼向前方推进22.5～28.8 m 处，此后，工作面不断推进，顶板每隔7.6～14.1 m发生一次周期性的破断。非来压期间，工作面上部支架工作阻力处于16.8～25.5 MPa之间，中部处于23.7～26.8 MPa之间，下部处于24.5～26.5 MPa之间。来压期间，工作面上部支架工作阻力在22.7～36.8 MPa之间，中部在26.2～38.1 MPa之间，下部则在27.8～34.5 MPa之间，总体而言，5105 综放面中下部支架顶板压力大于工作面上部，因此，工作面回采期间应更加注重中下部支架的管理。

表1 为工作面回采期间支架动载系数。由表1可知，工作面开采过程中，上部支架动载系数波动范围较大，约在1.59～2.56 之间，中部及下部波动范围较小，分别在1.66～1.92、1.53～1.85 范围之间。这说明工作面上部区域顶板压力较为剧烈，而中下部顶板压力较为缓和。从工作面液压支架安全阀开启情况来看，工作面中部及下部液压支架安全阀开启率较低，分别为2.1%及1.9%，而工作面上部液压支架安全阀开启率高达12.4%。这说明工作面上部支架管理状况较差，应适当提高支架初撑力以加强对工作面顶板的管理。

表1 工作面回采期间支架动载系数

3 工作面超前支承压力影响范围

掌握工作面支承压力分布情况对于指导工作面运输及回风巷的超前支护设计具有重要作用。因此，在5105 工作面前方150 m位置处由回风巷道煤壁向工作面内打设3 个钻孔，钻孔距离巷道底板1.2 m，孔径为42 mm，间距为2 m，深度分别为15 m、12 m、9 m，见图3。并在钻孔内安装钻孔应力计以监测回采期间煤壁前方支承压力变化情况，钻孔应力计初始设定压力值为4 MPa。

图3 钻孔布置情况

工作面回采过程中不同测点支承压力演化曲线见图4。由图4 可知，3 个测点处的支承压力均在距离工作面约60～40 m处时开始逐渐增加，但增长幅度较小。当测点与工作面距离小于40 m时，测点处煤体支承压力开始迅速增加，这表明工作面支承压力影响区大约位于煤壁前方40 m范围内，随工作面不断推进，当测点距煤壁距离在40～22 m时，支承压力增加幅度越来越大，应力集中系数由1.65～1.97 迅速增加到4.02～4.10，并在工作面前方22 m处达到峰值，约为7.1～7.9 MPa，随后，支承压力逐渐降低。

图4 工作面前方不同测点支承压力演化曲线

4 结语

通过对榆树坡煤矿5105 工作面回采期间支架工作阻力及超前支承压力进行监测，得到了5105综放工作面回采期间来压步距及强度，同时得到了工作面超前支承压力分布特征和应力集中程度。5105 工作面回采期间，顶板初次来压步距为22.5～28.8 m，平均为25.65 m，周期来压步距约为7.6～14.1 m，平均为10.85 m。来压期间支架工作阻力在22.7～38.1 MPa之间，平均30.4 MPa，动载系数在1.53～2.56 之间，总体表现为工作面中下部来压强度较大、上部来压较小的特点。工作面超前支承压力影响范围约为40 m，支承压力峰值大约位于煤壁前方22 m处，峰值约为7.1～7.9 MPa，应力集中系数约达1.65～1.97。根据支架安全阀开启情况进行分析可知，工作面上部支架初撑力较低，造成顶板管理较差，应适当提高支架初撑力以加强顶板管理。