長度變化對綜采工作面礦壓顯現規律影響研究

彭 濤 王慶雄

(中國神華神東煤炭集團公司哈拉溝煤礦，陜西省神木縣，719315)

神東煤炭集團哈拉溝煤礦開展了12上101綜采工作面450m超長綜采面開采試驗。已有研究結果表明，超長工作面礦壓顯現強度大于相同采高的一般長度工作面，即超長工作面礦壓顯現相對強烈。本文通過對比168m和450m工作面初次來壓和周期來壓特征，結合覆巖結構特征因素，分析長度變化對綜采工作面礦壓顯現規律的影響。

1 工作面開采條件

12上101工作面位于神東煤炭集團哈拉溝煤礦井田12煤層一盤區，為12煤層首采工作面。該工作面為刀把子面，其中12上101-1工作面長168.6m，推進長度246.7m；12上101-2工作面長450m，推進長度857.5m。煤層平均厚度2.11m，設計采高為2.0m，煤層賦存穩定，煤層傾角為1°～3°。老頂為細砂巖，平均厚度2.98m；直接頂為粉砂巖，平均厚度3.79m。12上101-1工作面安設101架KOPEXS二柱掩護式液壓支架進行頂板支護；12上101-2工作面安設238架KOPEXS二柱掩護式液壓支架，另外還有平頂山煤機廠生產的24架 ZY9200／12.3／22.3D 液壓支架。工作面巷道布置情況如圖1所示。

圖1 12上101工作面巷道布置圖

2 不同長度綜采工作面礦壓規律對比

12上101工作面開采前后期工作面長度發生了較大變化，對礦壓產生一定的影響。因此，需要對12上101-1和12上101-2兩個不同長度工作面 (以下用168m和450m工作面代替表示12上101-1和12上101-2工作面)礦壓規律進行對比分析研究以指導現場生產實踐。為了便于對比分析不同長度工作面礦壓規律，選取工作面中部支架礦壓特征數據進行分析，以消除邊界因素對礦壓特征的影響。

2.1 老頂初次來壓規律對比

168m工作面推進至距離開切眼39m位置時，老頂初次來壓，工作面30＃～70＃支架普遍來壓，最大支架工作阻力為56.7MPa，平均工作阻力為32.9MPa，達到35.0MPa以上的占34%。工作面局部片幫明顯，最大片幫厚度達0.5m。450m工作面推進至距離12上101-2工作面開切眼41 m位置時，工作面機尾段區域老頂垮落，180＃～230＃支架工作阻力較大，達到40.0～58.5MPa，220＃支架最大工作阻力達到58.5MPa。工作面存在明顯的片幫和漏矸現象，并在145＃～180＃支架區域出現淋水。此次來壓相對劇烈，來壓區間主要靠近機尾段，工作面中部100＃～160＃支架來壓不明顯。當繼續推進6m后，工作面60＃～160＃支架區域有來壓現象，來壓期間支架工作阻力最大為46.5MPa， 平 均 31.6MPa。168m 工 作 面 和450m工作面初次來壓期間礦壓顯現特征見表1。

由表1可知，老頂初次來壓時，450m超長工作面對應的老頂初次來壓步距、來壓期間支架工作阻力及動載系數均大于168m工作面，且450m工作面對應老頂初次來壓步距、來壓支架工作阻力及動載系數變化幅度明顯大于168m工作面。

表1 不同長度工作面老頂初次來壓期間礦壓特征對比表

2.2 周期來壓規律對比

168m工作面周期來壓期間，工作面40＃支架以后支架工作阻力普遍大于機頭段區域，來壓期間片幫不明顯，只有局部出現片幫。雖然工作面來壓相對不是很強烈，但是由于頂板比較破碎，伴隨來壓出現頂板離層，不易護頂，同時出現淋水，來壓后采空區反水，影響正常生產。工作面周期來壓期間礦壓顯現特征見表2。

通過礦壓實測表明，450m工作面存在大小周期來壓現象。兩次小周期來壓后間隔24m左右出現大周期來壓。當工作面小周期來壓時，來壓持續長度相對較短，來壓強度不大，安全閥開啟不多，來壓范圍主要分布在中部70＃～150＃支架區域；當工作面大周期來壓時，來壓持續長度較大，來壓強度大、范圍廣，主要集中在50＃～80＃、110＃～140＃和170＃～230＃支架區域。來壓期間安全閥開啟率較高，支架明顯下沉，前梁挑頂效果差，支架低頭，護頂困難，煤壁出現片幫，煤壁酥軟，頂板穩定差。工作面周期來壓期間礦壓顯現特征見表2。

由表2可知，周期來壓期間，450m超長工作面對應的來壓步距小于168m工作面，450m工作面對應來壓期間支架循環末阻力、動載系數和來壓持續長度均大于168m工作面，即450m超長工作面周期來壓強度大于168m工作面。

表2 不同長度工作面周期來壓期間礦壓特征對比表

3 不同長度綜采工作面礦壓顯現差異分析

分析表明，450m超長工作面對應初次來壓和周期來壓強度大于168m工作面。結合工作面覆巖結構特征和工作面長度因素，分析不同長度工作面礦壓特征差異產生的原因。

表3 Q14鉆孔覆巖關鍵層判別

表4 H65鉆孔覆巖關鍵層判別

168m工作面內Q14鉆孔和450m工作面內H65鉆孔對應覆巖結構特征見表3和表4。

3.1 老頂初次來壓特征差異分析

結合普氏平衡拱理論分析，老頂初次來壓時，由于老頂在工作面走向方向上首次發生破斷，老頂上覆巖層并未充分垮落，工作面上方平衡拱大小主要取決于老頂覆巖結構特征，即只考慮覆巖結構特征變化對工作面來壓顯現強度的影響。

3.1.1 老頂初次來壓步距計算

由于12上101工作面是首采工作面，老頂未受到破壞，比較完整，故計算老頂來壓步距時可將老頂看作固定梁，來壓步距采用下式計算:

式中:L0——老頂初次來壓步距，m；

H—— 老頂的厚度，m；

σ拉——老頂抗拉強度，MPa；

q—— 單位長度老頂的載荷，kN。

結合表3和表4可知，168m工作面內老頂的厚度為8.2m，抗拉強度為3.95MPa，容重為2.3×103kg／m3，單位長度老頂的載荷為3.3×105kN。450m工作面內老頂的厚度為8.84m，抗拉強度為4.84MPa，容重為2.3×103kg／m3，單位長度老頂的載荷為3.56×105kN。

將兩個工作面對應的各參數值代入式 (1)，得出168m工作面老頂初次來壓步距為40.12m，450m工作面老頂初次來壓步距為46.11m。顯然，450m工作面對應老頂初次來壓步距大于168m工作面。

3.1.2 老頂初次來壓計算

老頂初次來壓時，控制頂板的關鍵在于當靠煤壁處老頂斷裂線剛露出煤壁時，支架的工作阻力能支撐住垮落帶巖層的重量。這時需要的支架工作阻力按下式計算:

式中

:P——支架工作阻力，kN；

Llxc——老頂初次來壓步距，m，根據實測情況取值；

La——每架支架所控制的工作面長度，取1.75m／架；

γ——垮落帶直接頂巖層平均體積力，取23000kN／m3；

h——垮落帶直接頂厚度，168m工作面對應值為6.13m，450m工作面對應值為5.8m；

LZ′——直接頂巖梁長度，取6.14m；

n——垮落帶最上分層數，取3；

γli——垮落帶中第i分層老頂及其附加巖層的平均體積力，取23000kN／m3；

hli——垮落帶中第i分層老頂及其附加巖層的厚度，168m工作面對應值為8.2m，450m工作面對應值為8.84m；

α——煤層傾角，取3°；

K——安全系數，取1.1；

——考慮立柱不垂直頂梁以及掩護梁上有載荷的系數，支撐式為100%；支掩式為85%～90%；短頂梁掩護式為60%。

將168m工作面和450m工作面具體支護參數值代入式 (2)計算得出168m工作面初次來壓期間支護所需工作阻力為8180kN，450m工作面初次來壓期間支護所需工作阻力為9159kN。說明初次來壓期間，450m超長工作面來壓強度更加劇烈。同時，由于非來壓期間支架工作阻力基本一致，而來壓期間450m工作面來壓強度更大，所以對應動載系數也更大。

3.2 老頂周期來壓特征差異分析

根據已有研究表明，工作面長度增加一定程度上會導致上覆巖層垮落帶高度增加，即周期來壓期間覆巖結構特征和工作面長度因素都會影響來壓顯現強度。

3.2.1 老頂周期來壓步距計算

先分析覆巖結構特征因素對來壓顯現強度的影響。老頂周期來壓期間，來壓步距計算:

式 (3)中參數值同式 (1)，將各參數值代入式 (3)，得出168m工作面老頂周期來壓步距為16.38m，450m工作面老頂周期來壓步距為18.82m。顯然，450m工作面對應老頂周期來壓步距大于168m工作面。

再分析工作面長度因素對老頂周期來壓特征差異的影響。從覆巖結構特征分析，450m工作面周期來壓步距大于168m工作面，但是對于超長工作面，由于工作面長度增加，導致推進速度的下降，使得老頂有充足的時間進行垮落，從而導致周期來壓步距的減小。礦壓實測結果表明，450m工作面周期來壓步距小于168m工作面，礦壓實測結果否定了前面計算式算出的結果，因此，長度因素對周期來壓步距影響明顯大于覆巖結構特征的影響 (理論計算結果和實測結果對比是為了說明長度因素對周期來壓步距的影響大于覆巖結構特征的影響)。

3.2.2 老頂周期來壓計算

周期來壓期間支架所需的工作阻力可根據式(2)進行計算，非來壓期間的支架載荷可以根據覆巖結構進行計算。分析表明，450m工作面來壓強度大于168m工作面。

按照普式平衡拱理論在一定跨度空間之上 (工作面長度)的頂板巖層將會發生拱形冒落，其高度既與跨度有關，又與巖石的普式硬度指數有關，即:

式中:h——頂板巖層冒落高度，m；

B——工作面長度，m；

f——頂板巖石的普式硬度指數，其值約為強度的1／10。

由式 (4)可知，450m工作面頂板冒落高度明顯大于168m工作面，即支護所需支架工作阻力大于168m工作面。同時，工作面長度越長，壓力拱越大，導致周期來壓期間支架工作阻力越大，即礦壓顯現強度越大。

4 結論

(1)老頂初次來壓時，450m超長工作面對應的老頂初次來壓步距、來壓期間支架工作阻力及動載系數均大于168m工作面。

(2)周期來壓期間，450m超長工作面對應的來壓步距小于168m工作面， 450m工作面對應來壓期間支架循環末阻力、動載系數和來壓持續長度均大于168 m工作面，即450m超長工作面周期來壓強度大于168m工作面。

(3)對不同長度綜采面礦壓顯現差異進行分析表明，老頂初次來壓時，只考慮覆巖結構特征變化對工作面來壓顯現強度的影響；老頂周期來壓時，覆巖結構特征和工作面長度因素都會影響來壓顯現強度，且長度因素對周期來壓步距影響明顯大于覆巖結構特征的影響。

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