黃陵二號煤礦超長工作面礦壓規律分析

張 昆

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

深部綜采采場開采過程中，應力的傳播規律與深、淺埋煤層不同，超長的工作面更易導致深部采場周期來壓劇烈且來壓持續加長。由于埋深大，采動圍巖的儲能在時間-空間重疊變化下，不斷釋放與轉移、演化，導致擾動應力覆蓋范圍加大、圍巖變形更為復雜，嚴重制約工作面正常組織生產。近年來，開采擾動理論、應力擾動、頂板控制技術及實踐方面的相關研究都取得了豐碩的發展結果[1-3]；眾多專家學者針對深部采場的圍巖、采場、支架等通過不同手段開展了深入研究并得出豐碩成果[4-7]。黃陵二號煤礦209工作面是典型的深部綜采工作面，開采擾動下的礦壓顯現明顯，亟需分析和研究二號煤礦深部采場的采動壓力分布特征。

為此，以黃陵二號煤礦209工作面壓力防控為目標，著手地質調查情況，確定出頂板類型結構；并結合力學模型特點，分析頂板破斷特性。進而深入系統地研究二號煤礦209工作面圍巖結構特性和開采擾動特點造成的礦壓規律，保障二號煤礦209綜采工作面的安全生產，對現場來壓情況的預知預判具有現實必要性。

1 礦井概況

1.1 地質構造及圍巖特性

黃陵二號煤礦屬于黃陵縣雙龍鎮管轄，礦井井田位于黃陵礦區西北部，是黃陵礦業公司的主力生產礦井。整個礦井為傾向北西—北西西的單斜構造，煤層傾角在1°～5°范圍內。209工作面埋深在378～703 m，平均采高3.2 m，地表為山區溝壑。煤層上覆巖100 m范圍巖層內依次為細砂巖、粉砂巖相互交替疊加。煤層為中侏羅統延安組，頂、底板均為不整合面。粉砂巖分選區性較好，屬半堅硬類不易軟化巖石，其堅硬程度f為6～7，覆巖特征見表1。

表1 煤層頂底板特性Table 1 Characteristics of roof and floor of coal seam

1.2 生產工藝

209工作面煤層均勻，工作面每刀循環進度約900 mm。工作面設計走向長度約4 500 m，傾向長度300 m。209綜采工作面采用單一走向長壁后退式一次采全高采煤法，采空區頂板全部垮落法處理。工作面選用ZY10800/28/35D掩護型液壓支架。

2 頂板確定及來壓分析

深部超長綜采工作面造成來壓的因素極其復雜。因此劃分頂板類型、確定關鍵層，分析工作面礦壓顯現情況及位置，確定影響工作面礦壓分布規律。

2.1 堅硬頂板的確認

關鍵層具有承載性，破斷后呈結構狀態，并在采空區發生運動[8-10]。209工作面據關鍵層理論整理得出堅硬巖層判別公式，見式(1)

(1)

式中，γ為體積力；E為彈性模量，GPa;h為巖層厚度,m；i為巖層編號。

由式(1)可知，14.15 m粉砂巖、15.37 m細砂巖、183.37 m中砂巖為關鍵層。工作面上部粉砂巖存在的支承壓力結合細砂巖的支承壓力加劇細砂巖破碎。根據頂板類型可知，209工作面上部的細粒砂巖和粉砂巖組成復合頂板。埋深、工作面長度、巖層的穩定性共同影響下，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[11-14]。

2.2 工作面擾動應力分析

2.2.1 破斷距計算

通過上述分析可知，209綜采工作面來壓主要由煤層上部14.15 m的粉砂巖破斷提供。初次垮落后以“砌體梁”形式垮落形成周期來壓。根據式(2)計算14.15 m粉砂巖破斷距。

(2)

(3)

式中，hm為第m層堅硬巖層厚度，m；σm為第m層巖層的抗拉強度，MPa；qi→m為第m層到第i層巖層的載荷。計算得，ljm=24.7 m。

3.由原來的被動等待向主動“找事”轉變。各級監管部門既無精力也無意愿主動去查找各種違法違規線索，基本上都是在辦公室坐等采購人、代理機構送來各種公告、文件、材料進行審批，或是坐等處理供應商投訴。現在，各級監管部門加強了事中控制和事后檢查處罰，正在建立政府采購整個過程每個環節的監控機制，對于招標代理機構上年完成的政府采購項目，也形成了完善的抽查和處罰制度。

2.2.2 頂板運動特征

209工作面頂板達到斷裂極限時，工作面頂板破斷距以ljm為破斷步距，沿工作面走向防線，重復出現如圖1所示的動態運動過程。粉砂巖的關鍵層和直接頂屬性是導致工作面礦壓顯現的重要因素。

圖1 工作面頂板運動特征Fig.1 Roof movement characteristics of working face

2.2.3 礦壓分布

209工作面一個月內共計推進約140 m，持續的推采過程的壓力分布，如圖2所示。整個工作面礦壓分布分為25#～55#、75#～100#、120#～160#這3部分；工作面整體壓力較大，中部來壓具有持續現象；3部分的壓力均在35 MPa之上，并具有持續性。115#～160#出現了周期性高壓力，工作面壓力分布總體來看：中部>機尾>機頭。209工作面頂板細砂巖直接垮落，其初撐力設計值能夠防止直接頂離層。非周期來壓期間，支架平均工作阻力為6 200 kN；周期來壓期間支架平均工作阻力為9 872 kN左右，占支架額定工作阻力的92%。由此表明，支架能滿足生產期間的頂板壓力需求。共計經歷7次來壓，初次來壓步距為80 m，動載系數為1.85。周期來壓步距最長為45 m，最短為13.5 m，平均為22 m。工作面頂板在未采煤體內部破斷，導致頂板各巖層內部裂隙發育、破碎的加劇，進而形成持續來壓現象。

圖2 30日連續監測支架壓力分布情況Fig.2 Pressure distribution of supports monitored for 30 days

3 現場實踐

3.1 作業要求

工作面推采過程中，保證支架的初撐力在27.5 MPa以上，當頂幫具有下沉趨勢時，適當采用帶壓拉架，同時護幫板及時打出并緊貼煤壁。加快工作面推進速度，避免受支承壓力的作用造成的損傷。停采檢修時必須保證支架處于高位狀態，一、二級護幫必須貼緊煤墻。生產過程中保證支架初撐力滿足27.5 MPa，實現對支架工況的實時動態監測，全面觀測工作面礦壓分布情況。建立工作面礦壓顯現和預測預報臺賬，在工作面來壓前期，采取防護措施，保障支架始終處于良好工況。

3.2 現場監測情況

“支架—圍巖”的互作用是雙向作用的力學過程。支架工況能夠直接反映出支架與圍巖的關系。深部綜采工作面支架必須具備高初撐力，以控制頂板運動和煤壁剪切破壞；同時支架水平抗傾覆結構和承載能力增強。二號井209工作面液壓支架采用SAC電液閥控制移動方式與采煤機聯動。截取某次支架電液控顯示圖，如圖3所示。由圖3知，煤機向工作面前部運動，支架初撐力達到27.5 MPa，滿足生產要求，同時支架工況良好。煤機現在處于105#位置，除煤機范圍內的位置，支架護幫處于伸出狀態，符合生產要求；支架推溜基本呈直線狀態。由此可知，支架工況一直處于高位的良好狀態，整個工作面形成了“頂板-支架-底板”的良好結構。生產期間，工作面整體呈現“三平兩直”的良好狀態。

圖3 煤機動態下支架工況Fig.3 Support working condition under dynamic condition of coal machine

3.2.2 支架壓力分析

提取一天的生產班組中各一組支架壓力，如圖4所示。0～8點班推采4.5 m，此時支架工作阻力最大為39.3 MPa、最小值為24.9 MPa，形成了“頂板-支架-底板”穩定結構。16～24點班推采結束后，推進9.0 m(10刀)，此期間的工作面支架工況良好。整個生產期間受擾動圍巖影響，所有支架的初撐力全部達到27.5 MPa，工作面平均阻力為9 880 kN，其中105#～155#支架壓力大于40 MPa。

圖4 支架壓力Fig.4 Pressure of hydraulic support

4 結論

(1)209綜采工作面的直接頂為上覆細砂巖和粉砂巖組成的復合頂板，頂板的破斷距為24.7 m。

(2)初次來壓步距為80 m，周期來壓步距最長為45 m，最短為13.5 m，平均為22 m，確定初撐力為27.5 MPa。

(3)工作面壓力總體分布是中部>機尾>機頭，此3部分的壓力均在35 MPa之上，并具有持續性，115#～160#出現了周期性高壓力。支架工況一直處于高位的良好狀態，整個工作面形成了“頂板-支架-底板”的良好結構。