淺埋煤層大采高綜采面礦壓規律的研究

李和平

（上社煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045100）

0 引言

煤炭行業的健康持續發展對我國工業及經濟的可持續發展至關重要[1]。在未來一段時間內我國的能源仍將以煤炭為主[2-4]。煤炭行業發展的同時也帶來了許多安全問題，其中礦井中液壓支架的合理選型，對安全開采具有重要意義。一方面生產廠家不斷提高液壓支架的支護能力，從而達到有效減少煤壁片幫和局部冒頂現象的目的；另一方面，隨著液壓支架支護能力的提高，其重量和造價相應增加，生產過程中造成了許多新的問題。比如工作面搬家困難、頂板局部臺階下沉、局部冒頂、支架損壞等現象。因此，有必要對淺埋煤層大采高綜采面礦壓規律進行更加深入的研究，從而為大采高綜采面安全高效生產提供有效指導。

采煤工藝中，通常將綜采煤層厚度在3.5m以上的采煤方法稱為大采高綜采[5]。文獻[6]首次對淺埋煤層進行了分類，提出了典型淺埋煤層和近淺埋煤層概念。為了分析淺埋煤層大采高綜采面礦壓顯現規律，本文對5-7m采高范圍的淺埋煤層大采高綜采面顯現規律進行研究分析。

1 典型淺埋煤層大采高礦壓顯現規律

1.1 工作面概況

典型淺埋煤層大采高工作面結構模型如圖1所示，工作面在周期來壓期間，在壓實區關鍵塊落入踩空區域后，離層關鍵塊出現如圖所示的大跨度伸出懸梁結構，即懸伸結構。本文通過對不同采高典型淺埋煤層大采高工作面進行對比分析，研究其礦壓規律的變化情況。根據實際情況，分別對20601、15201、33206工作面分析其覆巖結構組成情況，得出三個工作面均為單一關鍵層結構，屬于典型淺埋煤層工作面。工作面條具體件如下：20601、15201、33206工作面走向長度分別為2920m、2590m、2474m；煤層傾角都為1°-3°；平均煤層厚度分別為5.1m、5.8m、6.25m；工作面長度分別為300m、301m、303m；設計采高分別為 5.0m、5.3m、6.0m。

上述三種不同工作面所用液壓支架的主要技術特征見表1。

圖1 典型淺埋煤層大采高工作面結構模型

1.2 不同采高工作面的礦壓規律分析

1）工作面初次來壓規律分析。

各工作面初次來壓時支架的平均工作阻力分別為9002kN、9910kN、10560kN；實時測量得其最大工作阻力分別為11033kN、11425kN、11725kN；工作面增載系數分別為1.1、1.1、1.25；根據測量數據顯示，工作面初次來壓步距分別為62.5m、63.5m、51.7m，來壓時持續長度分別為4.0m、4.7m、5.8m。工作面初次來壓具體特征見表2。

表1 工作面液壓支架技術特征

表2 工作面初次來壓特征表

通過表2數據統計可知，三個不同工作面初次來壓步距主要集中在50-70m之間；工作面采高與來壓步距之間沒有規律顯現。隨著采高的增加，支架的平均工作阻力增大。

2）工作面周期來壓分析。

表3分別對不同工作面支架來壓與非來壓時平均工作阻力的變化情況進行了統計。可知在同一工作面上來壓與非來壓時工作面支架工作阻力變化幅度在3-4MN范圍內，變化幅度不大；隨著采高的增加，非來壓時工作面支架的平均工作阻力增加。分析支架工作阻力增大的原因是由于采高增加時，相應的開采空間增大，開采面覆巖活動面價加大，從而導致工作面支架阻力產生明顯的變化。

圖2主要分析了不同采高對應工作面動載系數的變化情況，從圖可知，隨著采高增加，動載系數明顯減小，變化較為明顯。在20601工作面時，采高為5.2m，平均動載系數為1.59；在15201工作面時，采高為5.5m，平均動載系數為1.41；在32206工作面時，采高為6m，平均動載系數為1.37。

表3 不同采高工作面周期來壓特征表

圖2 動載系數變化情況

通過上述分析可知，對于典型的淺埋煤層大采高綜采面，周期來壓步距分布在10-20m之間，初次來壓步距在50-70m之間。從統計結果看，來壓步距受采高的影響較小，其主要與工作面推進速度有關。在工作面推進過程中，同一工作面來壓與非來壓兩種工況工作阻力變化不大。在周期來壓時，隨著采高增加，動載系數明顯減小，支架工作阻力增大，變化較為明顯。

2 近淺埋煤層大采高礦壓顯現規律

2.1 工作面概況

圖3 近淺埋煤層大采高工作面結構模型

近淺埋煤層大采高工作面結構模型如圖3所示，主要由主關鍵層、軟弱夾層、亞關鍵層、直接頂等組成。工作面受周期來壓時，亞關鍵層開始斷裂，最終導致覆巖結構出現如圖所示的“臺階巖梁”結構。本文分析中，選取三不同工作面30101、85201、22303工作面，其工作面長度分別為300m、295m、301m；走向推進長度分別為4252m、3160m、4966m；煤層平均厚度分別為 9.13m、6.5m、7.55m；采高分別為 5m、6.5m、6.8m。三個工作面支架的主要技術特征見表4。

2.2 不同采高工作面礦壓規律的分析

1）工作面初次來壓規律分析。工作面初次來壓特征見表5，從表分析可知三個不同大采高工作面初次來壓步距分布在60-75m之間，來壓時的平均工作阻力隨著采高的增加而增大，工作面采高與來壓步距之間沒有規律顯現。

2）工作面周期來壓分析。圖4-圖6所示為三個不同采高工作面中部支架壓力變化曲線，從圖可以看出，周期來壓時來壓步距和來壓載荷存在著明顯的周期變化。小來壓時步距主要在14m左右，大來壓時步距在25m左右，呈現出大小周期來壓步距交替出現的情況。小來壓步距約為大來壓步距的1/2。

表4 工作面液壓支架技術特征

表5 工作面初次來壓特征表

圖4 30101工作面中部壓力變化曲線

圖6 22303工作面中部壓力變化曲線

圖7 不同采高動載系數變化情況

圖7 所示為上述不同采高情況下動載系數的變化情況，從圖可以看出，同一采高時，動載系數出現高低交替變化，不同采高間動載系數不具有規律性；總體看動載系主要分布在1.4左右。

3 結語

本文分別通過對不同采高、不同煤層的大采高工作面進行研究分析，發現對于典型淺埋大采高工作面周期來壓步距在10～20m之間，初次來壓步距在50～70m之間，同一工作面來壓與非來壓兩種工況工作阻力變化不大。在周期來壓時，隨著采高增加，動載系數明顯減小，支架工作阻力增大。對于近淺埋煤層大采高工作面，呈現出大小周期來壓步距交替出現的情況，小來壓步距約為大來壓步距的1/2，并且動載系數也出現高低交替變化，小來壓時步距主要在14m左右，大來壓時步距在25m左右，出現明顯的礦壓顯現特點。