補連塔礦12511綜采工作面礦壓顯現規律

劉柄良

（國家能源集團神東煤炭集團公司 補連塔煤礦，內蒙古 鄂爾多斯017209）

根據國務院《能源發展戰略行動計劃（2014—2020 年）》[1]，神東礦區成為我國中間建設的14 個億噸級大型煤炭能源基地中之一，礦區煤礦儲量達1 349.4 億t，是我國目前規模最大的優質造氣動力煤田，對于保障我國的能源安全發揮了了重要的作用[2-3]。區內煤層埋藏淺、傾角小、厚度大，適用于大采高和特大采高綜采等煤炭開采技術與方法[4-7]。

國內外學者針對神東礦區內不同開采技術條件的礦壓顯現規律進行了大量研究，申路路等人[8]采用現場實測和理論分析的方法對大柳塔礦大采高工作面巨厚基本頂的結構及運移特征進行分析，建立了巨厚基本頂周期來壓過程中巖層破斷模型。邸帥[9]等人以上灣煤礦12205 綜采工作面為例，采用理論分析、數值模擬與現場實測方法，研究綜采工作面在平直與山丘地形下礦壓顯現的異同，通過應力傳遞力學模型確定山丘坡度、高度為礦壓顯現主要影響因素，進而利用數值模擬分析坡度、高度對礦壓顯現的影響。楊俊哲、侯志成等人[10-11]以神東礦區7.0 m 特大采高工作面為研究對象，采用現場實測、理論分析和物理模擬的方法開展礦壓顯現規律研究，結果表明特大采高工作面礦壓顯現較普通采高工作面更加強烈，7 m 大采高“刀把”工作面初采階段呈現出初次來壓步距較長、來壓強度較低的礦壓規律。目前，針對近淺埋煤層8 m 特大采高工作面礦壓顯現規律的研究還較少，因此，研究掌握淺埋深大采高和特大采高工作面礦壓顯現規律，對淺埋采場的合理支護、巷道開挖與支護方式的選擇，均具有重要的理論意義和工程應用價值。

1 工作面概況

補連塔煤礦12511 綜采工作面位于1-2 煤五盤區，工作面采用傾斜長壁后退式開采工藝，走向長度319.1 m，傾向長度3 139.3 m。開采煤層平均厚度7.44 m，一次采全高，全部垮落法處理頂板，“U”型全負壓通風方式。工作面北西方向為12512 綜采工作面，南東方向為已回采的12510 綜采工作面，南西為設計中的12508 綜采工作面，北東方向為1-2煤五盤區3 條大巷。工作面上覆基巖厚度為233~271 m，直接頂為砂質泥巖，平均厚度7.7 m；基本頂為砂質泥巖，平均厚度96.1 m；松散層厚度為0～27 m，屬于近淺埋煤層[12-14]。12511 綜采工作面液壓支架共155 臺，均選用鄭煤機生產的掩護式液壓支架。其中，工作面中部架選用ZY21000/36.5/80D 型支架，共149 臺；端頭架選用ZYT18000/28/55D 型支架，共6 臺。

2 工作面礦壓實測及分析

2.1 工作面礦壓觀測方法

通過工作面安裝的尤洛卡支架阻力監測系統對12511 綜采工作面初次來壓、周期來壓進行監測與分析，工作面間隔5 架選取1 臺支架作為研究對象，即選取工作面編號為5#、10#、15#、…、155#支架作為分析目標，以工作面每班推進度與每班末支架阻力繪制工作面支架阻力云圖，圖中顏色由淺至深依次表示頂板壓力大小，通過顏色及深淺度可直觀展現支架受力分布及頂板來壓區域，進而判定工作面初次來壓、周期來壓。

2.2 工作面初次來壓規律

工作面開采初期的支架工作阻力分布如圖1。從圖1 可以看出，工作面部分支架阻力監測出現異常情況，其中65#支架從工作面開切眼至推進52.1 m 范圍內無監測數據；工作面推進6～12.8 m 期間，5#～70#支架基本無數據，70#～150#支架阻力異常（圖1 中白色區域）；工作面35#、40#支架長時間呈現高阻力狀態，分析原因是由于支架參數設定不恰當導致。工作面推進至約44 m 處，35#～60#、125#～135#支架均表現為高工作阻力，阻值均大于支架額定工作阻力90%，因此判定工作面頂板初次來壓（圖1 中深色圈定區域），即工作面初次來壓步距為44 m。

2.3 工作面回采初期周期來壓規律

工作面初次來壓后，進入周期來壓階段。選取工作面推進237.2~311.8 m 時間段支架阻力為研究對象，分析工作面支架工作阻力變化，研究工作面周期來壓規律，確定周期來壓步距。

工作面推進237.2~311.8 m 時間段的支架工作阻力分布如圖2。由圖2 可以看出，工作面支架工作阻力呈現周期來壓規律性，工作面推進237.2～311.8 m 段共周期來壓6 次，來壓段分別為推進242、252.7、266.5、278.2、291、300.7 m 處，周期來壓步距分別為10.7、13.8、11.7、12.8、9.7 m，工作面周期來壓平均步距為11.74 m。回采初期周期來壓步距統計見表1。

圖1 工作面初次來壓階段支架阻力分布圖

圖2 工作面推進237.2～311.8 m 段支架阻力分布圖

表1 回采初期周期來壓步距統計表

工作面回采初期，不同位置支架工作面來壓顯現特征有所不同，呈現如下規律：

1）工作面周期來壓對支架作用強度整體顯示出一定交替性的規律。本次周期來壓顯現較為強烈區域下一次周期來壓顯現有所減弱，相反本次周期來壓顯現較為平緩區域在下一次周期來壓中將有較為強烈的來壓表現。

2）工作面兩側區域周期來壓表現不明顯。工作面推進237.2~311.8 m 范圍支架阻力云圖可以看出，第1#～25#支架、135#～159#支架周期來壓變現不明顯，支架阻力較為平穩。

3）工作面周期來壓時，部分支架的工作阻力超過了額定工作阻力，支架工作阻力最大達53.9 MPa。

2.4 工作面回采中期周期來壓規律

選取工作面推進1 243.4～1 340.8 m 時間段支架阻力為研究對象，分析工作面支架工作阻力變化，研究工作面正常回采階段周期來壓規律。

工作面推進1 243.4～1 340.8 m 時間段的支架工作阻力分布如圖3。由圖3 可以看出，工作面支架工作阻力呈現周期來壓規律性，工作面推進到1 243.4～1 340.8 m 段共周期來壓7 次，來壓段分別為推進1 247.2、1 259.8、1 275.1、1 290.4、1 303、1 316.5、1 331.8 m 處，周期來壓步距分別為12.6、15.3、15.3、12.6、13.5、15.3 m，工作面正常回采期間周期來壓平均步距為14.1 m，回采中期周期來壓步距統計表見表2。

圖3 工作面推進1 243.4～1 340.8 m 段支架阻力分布圖

表2 回采中期周期來壓步距統計表

工作面正常回采期間周期來壓特征與回采初期階段有所不同，正常回采期間工作面周期來壓步距比回采初期階段來壓步距大，回采初期階段工作面推進速度慢，推推停停相當于停采等壓效果，周期來壓步距小。工作面105#～135#支架周期來壓較35#～70#支架來壓稍微滯后，且周期來壓強度較強，來壓持續時間較長。

2.5 來壓強度分析

根據12511 工作面壓力監測數據分析，工作面推進237.2～311.8 m 期間動載系數統計見表3。由表中可以看出，非來壓期間支架工作阻力平均值為31.03 MPa，為支架額定工作阻力47.6 MPa 的65.2%；來壓期間支架工作阻力平均值為43.27 MPa，為支架額定工作阻力的90.9%。工作面周期來壓動載系數為1.39，動載系數偏大，主要原因在于非來壓期間工作面支架工作阻力較低，平均值低于支架初撐力35 MPa。

3 支架初撐力及工作阻力分析

3.1 支架初撐力分析

我國大采高綜采工作面生產實踐表明，液壓支架初撐力是支架與圍巖關系中重要影響因素。合理的初撐力可以確保支架按設計的增阻，使支架處于合理的工作狀態，發揮其最大的支護效能。同時，可以有效抑制頂板的早期下沉，最大限度的保持直接頂（頂煤）的完整，防止冒頂及頂板下位巖層與上位巖層離層，有效的避免動壓沖擊。

根據生產期間，對12511 工作面支架初撐力實測結果發現，初撐力合格率僅為42.44%，大部分支架的初撐力都沒有達到預設初撐力的要求，降低支架的支護效果。通過提高泵站壓力至額定值及減少漏液與管路接頭局部壓力損失等手段，將工作面支架平均初撐力提高至額定初撐力的84.3%，滿足了工作面支護要求。

3.2 支架工作阻力分析

工作面支架工作阻力合理性評價采用工作阻力分布統計分析的方法[15]，按照額定工作阻力（47.6 MPa）的20%，劃分5 個區間，分別統計支架工作阻力在各區間所占的百分比。對于理想的支架工作阻力分布應符合正態分布。處于低阻力和高阻力所占整個區間很少比例，中間部分所占比例較大。若低阻力所占比例較大，說明支架并未充分發揮作用；若高阻力所占比例較大，說明支架富余系數偏小。在12511 工作面上部、中部、下部各選定1 個支架作為支架工作阻力分布研究對象進行分析，選定支架分別為28#、75#及123#，各個支架工作阻力的頻率分布見表3。

分析表3 中數據可以發現，各支架工作阻力分布具有類似特征，所有支架受力主要集中在正常阻力區，支架在正常阻力區間所占的比例達到了76.1%，低阻力區和高阻力區的比例分別為14.5%和9.4%，高于支架額定工作阻力的比例僅占0.5%，支架日常工作阻力分布屬于正態分布，工作面支架整體處于較好工作狀態。

表3 各支架工作阻力分布表

4 結 論

1）補連塔煤礦12511 特大采高工作面初次來壓步距44 m，回采初期周期來壓平均步距為11.74 m，正常回采階段周期來壓步距為14.1 m。工作面周期來壓對支架作用強度整體顯示出強、弱交替變化規律，周期來壓強度呈現“兩端小，中間大”的特征。

2）近淺埋煤層特大采高工作面礦壓顯現較為劇烈，非來壓期間支架工作阻力平均值為31.03 MPa，為支架額定工作阻力的65.2%；來壓期間支架工作阻力平均值為43.27 MPa，為支架額定工作阻力的90.9%，工作面周期來壓動載系數為1.39。

3）12511 綜采工作面支架平均初撐力達到額定初撐力的84.3%，工作阻力分布屬于正態分布，工作面支架整體工作狀態良好。