特厚煤層放頂煤開采礦壓顯現規律研究

劉寶珠 馬亞杰 章之燕

（1.開灤（集團）有限責任公司唐山礦業分公司，河北省唐山市，063000；2.河北聯合大學，河北省唐山市，063000）

特厚煤層放頂煤開采礦壓顯現規律研究

劉寶珠1馬亞杰2章之燕1

（1.開灤（集團）有限責任公司唐山礦業分公司，河北省唐山市，063000；2.河北聯合大學，河北省唐山市，063000）

采用現場礦壓觀測和計算機數值模擬對唐山礦特厚煤層綜放工作面礦壓顯現規律進行了分析研究。礦壓觀測表明，工作面來壓周期性較明顯，呈現高頻率、低強度的特征，平均周期來壓步距為8.1m。整個工作面全長范圍內，老頂來壓具有明顯的不一致性，即中部來壓強度大，上部和下部來壓強度小，上部高于下部。計算機數值模擬結果與現場礦壓觀測結果基本一致。

特厚煤層 綜采 放頂煤開采 礦壓顯現規律 數值模擬

綜采放頂煤技術作為一種新的開采方法已在各種地質條件如特厚煤層、較薄厚煤層以及復雜厚煤層中得到應用，并且在我國各個礦區都取得了較好的經濟效益和社會效益，但同時也面臨著諸多技術難題需要深入研究。如特厚煤層放頂煤開采的礦山壓力顯現規律還有待研究。為合理選擇綜采放頂煤開采的工藝參數，本文對唐山礦特厚煤層放頂煤開采礦山壓力顯現規律進行了研究。

1 工作面概況

唐山礦T2192工作面開采9＃煤層，工作面位于唐山礦鐵二區東南部，南與本區域T2191采空區相鄰，北與T2193工作面相鄰，西至本煤層未采區。煤層最大傾角18°，最小傾角5°，平均11°；煤層厚度最大11.46m，最小8.5m，平均10m，中間夾有3層矸石，沉積穩定；該工作面走向長度1010m，傾斜長度150m，埋藏深度－565～－595m。T2192工作面9＃煤層頂底板柱狀見圖1。

圖1 T2192工作面9＃煤層頂底板柱狀圖

2 礦壓測點布置及結果分析

2.1 礦壓觀測點布置

觀測支架載荷變化是研究圍巖應力分布的方法之一。在工作面內側將工作面按上、中、下3部分各設置1組測站，1＃測站距輸送機機頭15m，2＃測站距輸送機機頭75m，3＃測站距輸送機機尾15 m。每1組測站選2架支架，每架支架安裝2塊圓圖壓力自記儀（前、后立柱各1塊，前左后右），觀測工作面內支承壓力分布情況。

同時，在工作面回風巷內側布置鉆孔，設3組測站，分別為4＃測站、5＃測站和6＃測站，安裝鉆孔應力計，通過測量鉆孔應力計讀數，了解工作面超前支承壓力分布與超前工作面距離的關系。支架載荷和工作面超前支承壓力監測布置示意圖見圖2。

圖2 支架載荷和超前支承壓力監測布置示意圖

2.2 工作面礦山壓力現場觀測結果

2.2.1 工作面支架平均工作阻力分布規律

由工作面內測站觀測得到工作面支架平均工作阻力分布情況，見表1。由表1可以看出，工作面各支架初撐力分布比較穩定。其中，液壓支架前柱占初撐力55%，后柱占45%。沿工作面傾斜方向，支架的平均工作阻力呈現兩端小、中間高的分布特征；沿推進方向，工作面支架前柱載荷約占載荷總量的54%，后柱占46%，前、后柱平均工作阻力分布比較合理，表明工作面頂板、端面管理較好，端面冒落、漏頂等現象較少。

表1 T2192工作面支架載荷分布表

2.2.2 工作面超前支承壓力分布規律

巷道圍巖變形反映了圍巖受工作面采動影響的程度。由于超前支承壓力的作用，迫使巷道圍巖發生變形、位移，通過鉆孔測量，T2192支承壓力峰值距煤壁距離為15m，應力微增區分布范圍為100～150m。

2.2.3 工作面來壓規律

根據工作面各測站觀測和分析可以得出工作面來壓規律。

（1）在相鄰區段存在采空區的T2192工作面，初次來壓步距為36m，動載系數1.3～2.6，支架工作阻力利用率在67%以上，由此可見，應力釋放后的采場礦壓顯現被削弱。

（2）工作面來壓周期性較明顯，呈現為高頻率、低強度的特征，平均步距8.1m。

（3）放頂煤開采超前支承壓力分布與分層開采基本相似，但采動影響范圍增大，峰值超前工作面的距離更遠，而且應力降低區增大。由于采用放頂煤開采，增加了一次開采的總厚度，導致上覆巖層平衡結構形成的層位更高，形成的結構更加遠離工作面。因此，超前支承壓力的范圍更大，峰值超前工作面的距離更遠，工作面所處的應力較低區范圍更大。

3 計算機數值模擬分析

3.1 模型的建立

建立模型時，上部結構采用大變形梁的形式，其位態由UDEC模擬結果確定，大變形梁的位移采用斜直線型；采空區的支承體采用支撐形式來實現；模型的兩側固定水平變形，同時固定下部邊界，在上部邊界施加應力作用。為了近似模擬，采用了分段式施加應力，將未模擬巖層以變化應力的方式加在上部邊界上。在上部邊界一端從1到10單元施加6MPa的應力，10到35單元施加應力從6MPa逐漸變化為15MPa，35到60單元施加應力從15MPa逐漸變為0.1MPa，60到70單元施加應力由0.1MPa逐漸變為0。

3.2 數值模擬結果分析

（1）垂直應力在工作面前方14m左右達到峰值，而在支架上方，由于支架的卸壓，而使其上方至平衡結構之間形成低應力區。

（2）煤體中的水平應力在工作面前方18m處達到峰值，而在距工作面13m處，頂煤的水平應力達到峰值，這兩個峰值連成了一個區，這種水平應力的變化與頂煤和頂板的作用形式有關，也與上覆巖層的傳壓及頂煤的變形有關。

（3）采空區上方巖層的自重應力通過平衡結構，特別是有序平衡結構指向工作面前方煤體和巖體。

（4）支承壓力峰值超前工作面14m，與實測結果（15m）吻合，證明了由于開采厚度增加，支承壓力范圍增大，工作面處于低壓區內，因此，支架載荷沒有顯著變化。

4 T2192工作面礦壓顯現規律的特征

通過對開灤唐山礦復雜條件厚煤層典型工作面進行礦壓觀測、計算機數值模擬分析等，綜采放頂煤開采工作面礦壓顯現規律具有如下特征：

（1）工作面頂板來壓顯現較明顯，初次來壓步距為36m，基本頂周期來壓步距平均8.1m。由于工作面采放厚度大，采放比在局部為1∶3以上時，采空區頂板活動層位高，來壓強度較大，支架安全閥開啟次數頻繁，達到額定工作阻力的85%～92%。

（2）頂板未出現沖擊來壓現象，頂板超前煤壁3～5m產生斷裂，以緩慢的回轉運動為主。當工作面具有合理的推進速度（≥4.0m/d）時，頂板運動向采空區方向緩慢下沉，循環內支架活柱下縮量為20～60mm，后柱阻力明顯高于前柱，來壓步距為16～18m；當工作面推進不正常或停產時間長時，頂板一般向煤壁方向回轉下沉，造成機道頂板臺階下沉，支架阻力急增，安全閥開啟，小時內支架活柱下縮量最大達320mm，來壓步距9～12m，顯現為工作面整體來壓。為此，保證工作面的合理推進速度對頂板管理極為有利，根據現場的實際觀測，工作面的推進速度不低于4.0m/d。

（3）工作面來壓時基本是中部先來壓，然后向兩側伸展；當機頭機尾不平行推進，機頭超前時，靠近機頭的一側中部先來壓，而后向兩側伸展。一般情況下工作面中下部壓力較大，在工作面上下機頭區域來壓不明顯，此壓力分布與工作面布置有關系。

（4）當工作面來壓在中下部時煤壁片幫較大，片幫深度最大達到1.0m以上，造成支架端面距增加，控頂范圍增大，機道上方頂煤形成破碎冒落區，使支架接頂性能差，造成工作面頂板出現下沉。

5 頂板壓力控制方法

（1）合理地設計工作面傾斜長度和相鄰巷道煤柱尺寸參數，巷道布置盡量避開壓力高峰區，有利于頂板控制，同時也可改變工作面兩端頭的受力狀況。因此工作面傾斜長度一般設計在150～180m，兩巷相鄰煤柱尺寸一般不超過5～8m，巷道設計在集中壓力降低區。

（2）加快工作面推進速度，縮短煤壁暴露時間，可有效地防止煤壁片幫抽冒，實現改善頂板和支架受力狀況，提高煤壁的穩定性。

（3）提高工作面支架的護幫能力，采用支架伸縮前探梁和護幫板支護頂板和煤壁，防止因煤壁片幫導致頂煤抽冒的發生。在有條件的情況下液壓支架設計反轉護幫板，對煤壁片幫區域頂板起到及時支護作用。

（4）加強支架的液壓系統管理，縮短移架時間，采用帶壓移架，在破碎頂板情況下鋪設金屬網，減少頂板的下沉和移架時對頂板的破壞，保證支架具有足夠的初撐力。

（5）分析掌握地質條件和煤層厚度變化，合理控制采高和采煤機截深。在變化區域加強采煤機司機和支架操作人員的配合水平，實現及時支護頂板，提高工作面的穩定性。

6 結論

（1）工作面液壓支架平均初撐力1800kN/架，為額定初撐力的35%；平均工作阻力為2420kN/架，為額定工作阻力的43%，支架的工作阻力尚未得到充分的發揮。

（2）工作面支架初撐力分布均勻；沿工作面傾斜方向，支架的工作阻力呈現兩端小、中間高的分布特征；沿推進方向，工作面支架 前柱載荷約占載荷總量的54%，后柱占46%，前后柱工作主力分布比較合理。

（3）初次來壓步距20～28m，動載系數1.3～2.6；周期來壓呈現為高頻率、低強度的特征，平均來壓步距8.1m。

（4）由于采用了放頂煤開采，增加了開采的厚度，使得采動影響范圍增大，導致了上覆巖層平衡結構形成的層位更高。因此，超前支承壓力的范圍更大，峰值超前工作面的距離更遠，工作面所處的應力較低區范圍更大。

（5）放頂煤開采的采出率與架型的選擇與放頂煤礦壓顯現規律有關。而綜放開采礦壓顯現規律和頂煤巖運移破壞特征是選擇放煤工藝、支架架型的理論基礎。因此，必須深入研究特厚煤層綜放開采礦壓顯現規律，才能有效地掌握頂煤運移破壞特征，提高放頂煤的回收率。

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Research on strata behavior law of super－thick top coal caving mining in Tangshan Coal Mine

Liu Baozhu1，Ma Yajie2，Zhang Zhiyan1
（1.Tangshan Mining Branch Co.，Kailuan Group Co.，Ltd.，Tangshan，Hebei 063000，China；2.Hebei United University，Tangshan，Hebei 063000，China）

With the methods of in－situ strata－control observation and computer numerical simulation，the paper has researched the strata behavior law in the super－thick top coal caving face in Tangshan Coal Mine in Kailuan.The result shows that the periodic weighting in working face is apparent，with the characteristics of high frequency and low intensity.The average periodic weighting interval is 8.1m.The roof weighting is apparently different in the whole working face：it is larger in the middle than in the upper and lower parts，and is larger in the upper than in the lower part.The results of computer numerical simulation and in－situ strata－control observation are basically the same.

super－thick coal seam，fully mechanized coal mining，shblevel caving，strata tension behavior law，numerical simulation

TD823.2

A

劉寶珠（1969－），男，河北唐山人，工程碩士學位，高級工程師，現任開灤集團公司唐山礦業分公司經理。

（責任編輯 張毅玲）