大采高堅硬頂板工作面周期來壓特征研究

高金強

（山西汾西南關煤業有限責任公司， 山西 靈石 031304）

引言

由于大采高堅硬頂板工作面頂板較為堅硬，難以垮落，回采過程中極易發生懸頂過長的問題，這就使得工作面來壓時形成大面積頂板垮落，對采場造成沖擊破壞，且極易導致工作面液壓支架壓架、巷道圍巖難以支護等問題，不僅影響著工作面的生產效率，還影響著井下的生產安全。因此，對大采高堅硬頂板工作面進行礦壓觀測，研究該條件下工作面礦壓規律，對相似條件下工作面圍巖控制提供一定理論依據[1]。

對15205綜采工作面進行礦壓觀測時，該工作面頂板初次來壓已過，未監測到工作面基本頂初次來壓的相關數據，因此，本文主要針對該工作面周期來壓特征，采用理論計算和現場觀測的方法進行研究。

1 工程背景

15205綜采工作面回風順槽長1 045 m，運輸順槽長1 037 m，切眼長150 m。工作面南部為15204采空區，西部為礦井保安煤柱，保安煤柱外為山西高平裕興煤業有限公司，北部為實體煤，東部為南翼軌道大巷、南翼運輸大巷、南翼回風大巷及大巷保安煤柱。地面位于東溝村與郝家村以北。

15205綜采工作面是152采區第5個工作面，開采水平為985 m，是60萬t/年礦井改擴建完成后第三個綜合機械化采煤工作面。見圖1。

15205工作面開采的15號煤層是結構簡單、賦存穩定的貧煤，一般含有1～2層夾矸。煤層總厚度介于4.15～4.52 m之間，平均厚度4.43 m。煤層平均傾角為4°。煤體硬度介于0.5～1.5，呈灰黑色、粉狀。頂板為k2石灰巖，厚度平均10.2 m，灰黑色灰巖，含生物碎屑，裂隙發育，底部常見溶蝕現象，見紅色泥巖；底板為泥巖，厚度平均8.8 m，灰黑色泥巖，局部為粉砂質泥巖，并含鋁土質及黃鐵礦結核。

圖1 15205工作面布置圖

15205綜采工作面位于井田西南部，S2向斜南翼，軸向S60°E，傾角0°～6°，無斷層等地質構造影響，受S2向斜影響，工作面兩順槽坡度變化較大。

此前對15205工作面相鄰工作面15202工作面進行礦壓觀測，分析結果得出15202工作面平均周期來壓步距為14.19 m，平均來壓強度為7 323.25 kN。現對15205工作面進行周期來壓特征分析[2-3]。

2 周期來壓的力學模型及理論計算

2.1 周期來壓力學

大采高堅硬頂板破壞斷裂時，巖塊間很難形成鉸接平衡，因此在初次來壓之后，頂板仍將處于懸臂狀態。下頁圖2為頂板的相似材料模擬試驗所得的長壁工作面周期來壓時的頂板破斷線圖形。周期來壓時巖板的破斷形狀可大致看作較長的圓角矩形，沿工作面全長中部約有2/3～3/4的部分平行工作面煤壁斷裂，只有工作面兩端10～15 m成弧形環狀發生斷裂，其與現場實際觀測的情形完全一致。因此周期來壓模型在中部取單位工作面長度的巖條建立力學模型是有代表性的，這就是懸臂巖梁模型。

堅硬頂板周期來壓力學模型有均布載荷、非均布載荷和集中載荷三種懸臂梁模型。當堅硬頂板之上覆蓋有較厚的軟巖層時（與本礦情況相吻合），可將該礦情況看作均勻載荷作用在堅硬頂板上，此時用圖3所示力學模型較為合適，其極限跨距Lz為

圖2 周期來壓頂板破斷線圖

其中Lz作為這種懸臂梁的極限跨距，可近似為周期來壓步距。

圖3 懸臂梁力學模型

2.2 周期來壓步距的計算

周期垮落按懸臂梁計算，周期垮落步距按式（1）計算。式中：h指每一段的平均厚度，見表1；σt指每一段的抗拉強度，見表1；q指均布載荷，經計算，第一段q1為67.58×103kN/m2，第二段q2為118.77×103kN/m2，第三段 q3為 36.59×103kN/m2，第四段 q4為 67×103kN/m2。

表1 分層厚度及巖石力學參數

基本頂周期垮落步距一般選取最大值，即為17.07 m。

3 工作面現場礦壓觀測

3.1 礦壓觀測方案

沿15205工作面支架布置5條測線，見圖4。第一條測線（下部測線）布置在第1號架上，第二條測線（中下部測線）布置在第27號架上，第三條測線（中部測線）布置在第49號架上，第四條測線（中上部測線）布置在第70號架上，第五條測線（上部測線）布置在第93號架上[4]。每個支架安裝一臺頂板壓力傳感器（GPD50A），2個測壓孔通過高壓油管分別與支架的前柱與后柱油缸相接（接對角線前后柱），實施在線觀測。

圖4 15205工作面觀測站（線、點）布置

3.2 工作面周期來壓分析

對15205工作面各側線礦壓數據進行處理，表2為對該工作面各測線周期來壓步距及強度數據的統計整理結果。

表2 15205工作面各測線周期來壓步距及強度數據統計整理

由表2可知，頂板周期來壓呈不均勻分布，各測線的來壓步距在12.03～15.36m之間，平均為13.68 m。工作面上、下部測線較長，分別為15.36 m、14.34 m。中上部、中下部和中部測線較短，分別為12.03 m、13.70 m、13 m。各測線周期來壓平均影響范圍一般在1.27～1.95之間，平均1.50 m。各測線周期來壓平均動載系數在1.16～1.31之間，平均為1.25。來壓期間，工作面各測線支架工作阻力均值一般在6 153.17～7 365.03 kN 之間，平均 6 810.8 kN，為額定工作阻力（8 800 kN）的77.40%。最大7 987.98 kN，為額定工作阻力（8 800kN）的90.77%。從周期來壓時支架工作阻力總體上看工作面兩端壓力較小，中部較大。15205工作面平均周期來壓步距為13.683 m，平均周期來壓強度為6 810.8 kN。

相鄰采場15202工作面頂板周期來壓步距及來壓強度略大于15205，其原因分為三個方面：15205工作面在回采前切眼內采用爆破切頂的方式，受爆破震動的影響，工作面頂板巖層裂隙較發育；根據15202和15205回采工作面作業規程，15202工作面采高略大于15205工作面，造成15202工作面礦壓顯現強度略大[5]。

4 結論

1）建立簡單的周期來壓模型，通過理論分析計算的方法，計算得到15205工作面的理論周期來壓步距為17.07 m。

2）通過現場礦壓觀測數據分析，發現頂板周期來壓呈不均勻分布，各測線的來壓步距在12.03～15.36之間，平均為13.68 m。工作面上、下部測線較長，分別為15.36 m、14.34 m。中上部、中下部和中部測線較短，分別為12.03 m、13.70 m、13 m。各測線周期來壓平均影響范圍一般在1.27～1.95之間，平均1.50m。各測線周期來壓平均動載系數在1.16～1.31之間，平均為1.25。來壓期間，工作面各測線支架工作阻力均值一般在6 153.17～7 365.03 kN之間，平均6 810.8 kN，為額定工作阻力（8 800 kN）的77.40%。最大7987.98 kN，為額定工作阻力（8800 kN）的90.77%。在周期來壓時支架工作阻力總體上工作面兩端壓力較小，中部較大。15205工作面平均周期來壓步距為13.683 m，平均周期來壓強度為6 810.8 kN。