深部大采高工作面礦壓規律研究

劉建偉 李 磊

(陜西陜煤黃陵礦業有限公司，陜西省延安市，727307)

深部大采高采場易導致周期來壓劇烈，且來壓持續較長、煤壁大范圍片幫。深部大采高工作面開采過程中，擾動應力的傳播類型與淺埋薄煤層差異性較大。由于埋深較大，大采高開采動態中煤巖應力與儲能隨時間與開采位置變化不斷釋放與轉移，造成擾動應力覆蓋范圍廣、圍巖變形復雜，嚴重制約工作面安全生產。近年來，采場礦壓、頂板控制的實踐和理論研究都取得了很多重要的研究成果[1-3]；眾多專家學者通過模擬試驗、理論分析、現場實踐等方法針對大采高工作面圍巖、采場、支架開展了豐富的研究[4-13]。但隨著煤層厚度、埋深不斷增加，黃陵二號煤礦418工作面礦壓顯現劇烈，亟需研究分析采動壓力分布規律。因此，深入系統地研究二號煤礦大采高工作面圍巖結構特性及其演化特征和開采擾動特點造成的礦壓規律，對現場安全開采、預知預判具有現實必要性。

以黃陵二號煤礦礦壓防控為目標，基于開采條件調查，劃分了頂板類型結構；通過力學模型建立，分析了頂板破斷特點。通過分析總結工作面礦壓規律，有針對性建立預知預判方法，以保障二號煤礦深部大采高綜采工作面的安全開采。

1 圍巖賦存特征

1.1 地質構造及圍巖特性

黃陵二號煤礦位于黃陵礦區西北部，為一傾向北西-北西西的單斜構造，地層傾角一般為1°～5°。418工作面埋深在478～660 m之間，平均采高6.0 m，屬于深部大采高工作面，地表為山頂區域。煤層上覆頂板依次為細砂巖、粉砂巖相互交替疊加，煤層賦存特征如圖1所示。

圖1 煤層柱狀圖

延安組呈一傾向北西西的單斜構造將整個井田一分為二，且中侏羅統延安組有4段組成，頂底均為不整合面。粉砂巖分選區性較好，屬半堅硬類不易軟化巖石，巖石普氏硬度f=6～7，覆巖特征如表1所示。

表1 煤層頂底板巖層特性

1.2 開采工藝

418工作面煤層厚度較均勻，工作面每刀進尺約為900 mm，平均日推進12刀。該工作面采用智能機械化走向長壁后退式一次采全高采煤法，全部垮落法處理采空區頂板，采用ZY12000/28/63D掩護型液壓支架。

2 大采高工作面來壓分析

造成深部大采高工作面周期來壓的因素十分復雜，主要影響因素為支承壓力、采高、埋深、圍巖特性。為此通過劃分頂板類型、確定關鍵層和工作面實際礦壓顯現情況，確定影響工作面礦壓分布規律。

2.1 關鍵層確定及頂板類型劃分

關鍵層的厚度及垮落方式直接影響工作面礦壓分布。其破斷后先后呈“懸臂梁”“砌體梁”結構向采空區運動。關鍵層理論硬巖層判別公式如下：

(1)

式中：γ——體積力，kN/m3；

E——彈性模量，N/m2；

h——巖層厚度，m；

j——巖層編號。

通過分析圍巖覆巖賦存情況，根據式(1)得出，418工作面上部14.15 m處粉砂巖、15.37 m處細砂巖、183.37 m處中砂巖為關鍵層。

普遍來說，大采高工作面直接頂厚度一般為煤層厚度的2～4倍，因此418直接頂厚度為煤層上部的細粒砂巖和粉砂巖的總和，形成復合頂板；煤層上部粉砂巖不但是直接頂的一部分，同時也為整個工作面提供力源。受埋深和巖層的穩定性影響，開采過程中采動煤巖應力與儲能隨時間與開采位置變化不斷釋放與轉移，加劇圍巖裂隙發育，更易造成煤壁片幫、周期來壓劇烈等礦壓顯現。

2.2 工作面擾動應力分析

418工作面煤層上覆粉砂巖達到斷裂極限時，以破斷距l為步距，沿工作面推進方向重復出現彎曲-起裂-破裂-垮落-平衡的動態過程。由于粉砂巖屬于近距離關鍵層，也是直接頂，導致工作面礦壓顯現劇烈。如：頂板切頂線位于煤壁上方，頂板離層范圍大，煤壁發生剪切破壞導致片幫等，如圖2所示。

圖2 工作面礦壓顯現概況

統計工作面1個月的支架工作阻力監測儀的監測數據，418大采高工作面的頂板壓力情況如圖3所示。

圖3 418工作面11月支架壓力分布

2019年11月418工作面累計推進約135 m，持續推采過程中，工作面達到充分采動。由現場觀測及圖3可知：工作面整體壓力較大，無明顯的周期來壓現象；整個工作面礦壓分布具有分區現象，分為3部分：25～55號支架、75～100號支架、120～160號支架；壓力均在35 MPa之上，且具有一定的持續性。隨著采動影響的加劇，頂板壓力范圍增大。115～160號支架之間出現了周期性高壓力現象。由工作面壓力分布總體來看：機尾>中部>機頭。

非周期來壓期間，支架的平均工作阻力為6200 kN，是額定工作阻力的51.7%，支架具有一定的富余量；周期來壓期間支架加權平均工作阻力為10250 kN，是額定工作阻力的85.4%，最大平均工作阻力為11312.8 kN，為額定工作阻力的94.2%，表明支架能夠適應周期來壓期間的頂板壓力。

工作面上部細砂巖直接垮落，支架平均工作阻力27 MPa，支架的額定初撐力29.2 MPa，說明初撐力設計值能夠防止直接頂離層。工作面基本頂初次來壓步距為80 m，動載系數為1.95。11月工作面現場實測共計經歷7次周期來壓。受采動和頂板巖性的影響，粉砂巖在煤墻內部切斷后，加劇細砂巖裂隙發育、破碎，形成來壓及來壓持續現象。來壓和持續步距共同形成工作面的周期來壓。當來壓步距較長時，對應的持續步距較小。周期來壓步距最長為45 m，最短為13.5 m，平均為22 m。根據418工作面實際顯現情況，來壓步距大于32 m時，工作面礦壓顯現劇烈。

2.3 巷道超前阻力分析

分別在進風巷和回風巷分別布置14、12個監測點，檢測采動影響范圍。

2.3.1 進風巷

在進風巷內超前60 m范圍內，布置14個阻力測點，經分析整理繪制支護阻力與距工作面煤壁距離關系曲線如圖4所示。

圖4 超前支護阻力與距煤壁距離關系

觀測結果顯示：工作面來壓期間，超前支護阻力的特征特性曲線斜率比平時要大，也就是超前支護阻力比非周期來壓時阻力增長快。支承壓力峰值在煤壁前方6～12 m，支承壓力影響范圍可達工作面前方30 m，表明深部大采高工作面具有較大的超前支承壓力和超前支承壓力影響范圍。這也是巷道錨索不易退的原因之一。

2.3.2 回風巷

回風巷超前50 m范圍內共布置12測點，點間距為4 m。

整理分析觀測數據，發現支承壓力峰值一般會出現在煤壁前方10～15 m處，影響范圍最遠可達工作面前方40 m。

3 現場作業要求

(1)工作面采用ZY12000/28/63D掩護型液壓支架，具有較大的額定工作阻力和初撐力。適當采用帶壓移架工藝可大大改善煤壁和頂板的完整性。支架伸縮梁上的護幫板及時打出，緊貼煤壁，抑制煤壁發生垮落，從而可大大改善工作面圍巖的穩定性。

(2)適當加快工作面推進速度，減少支承壓力的作用時間和煤壁的損傷程度。要盡量使工作面推進速度保持穩定。結合實際，保持工作面日推進度9 m左右，停采檢修期間要保證支架處于高位狀態，護幫板貼緊煤墻，做好防范措施。

(3)采用支架工作阻力動態監測儀，系統全面實時地觀測工作面礦壓。對418工作面礦壓進行實時在線監測，結合理論計算，預測預報頂板來壓時間，并在工作面來壓期間，采取措施確保支架穩定，使支架處于良好姿態、工作阻力處于高位狀態。

4 現場實況

“支架-圍巖”相互作用是個雙饋動力學過程。良好的支架工況側面反映出大采高支架必須具備高初撐力以控制頂板和煤壁雙重剪切破壞，加大支架水平抗傾覆結構和承載能力，以適應頂板回轉運動對支架穩定性影響。

黃陵二號煤礦418工作面應用國產液壓支架，移架方式采用SAC電液閥控制，并與采煤機聯動。在生產階段，支架運動、護幫板的精準控制起到良好的作用；同時顯示支架工作狀態、故障情況。截取某次支架電液控顯示圖見圖5。

煤機向機頭運動，支架均滿足初撐力，支架支撐狀態良好；支架護幫均處于伸出狀態且貼緊煤壁；支架推溜基本上呈一條直線。由此表明：支架工況良好，形成了良好的“頂板-支架-底板”的工作面結構；工作面整體呈“三平兩直”。

提取某日0點班、4點班各1組支架壓力數據，如圖6所示。0點班共推采4.5 m(5刀)，此時支架最大壓力為39.2 MPa、最小壓力為25 MPa，工作面形成“頂板-支架-底板”穩定結構。4點班推采結束后，累計推采9.9 m(11刀)，工作面支架工況良好。受擾動圍巖變化，支架均達到額定初撐力，工作面平均阻力為10125 kN，其中105～155號支架壓力大于40 MPa?！爸Ъ?圍巖”處于穩態結構。

圖5 煤機動態下支架工況

圖6 支架工作阻力變化特征

5 結論

(1)418工作面頂板由上覆細砂巖和粉砂巖組成。確定粉砂巖為關鍵層，其破斷為工作面周期來壓提供力源。

(2)周期來壓步距最長為45 m，最短為13.5 m。支承壓力峰值在8～13 m，影響范圍約35 m。

(3)整個工作面礦壓均在35 MPa之上，工作面壓力分布具有分區現象(分為3部分)，機尾>中部>機頭，且具有一定的持續性。保證支架始終滿足初撐力，生產過程中采用帶壓拉架、加快推進速度、護幫板貼緊煤墻等措施可改善圍巖穩定性。