柳塔矿不稳定厚硬煤层综放面矿压显现规律研究

佘永明 任永强

（神华神东煤炭集团柳塔煤矿，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017200）

1 试验工作面基本情况

柳塔矿是神东煤炭集团主力矿井之一，该矿过去一直采用一次采全高采煤工艺。但是，随着东部盘区1－2煤层的开采，发现以往的一次采全高工艺不但不能实现工作面高产高效及高回收率，而且无法保证生产安全。为了解决上述问题，与煤炭科学研究总院开采所合作，在柳塔矿东部盘区的12108工作面进行了综合机械化放顶煤开采试验。12108工作面是神东矿区侏罗纪煤层首个采用综合机械化大采高放顶煤开采技术的工作面。该工作面地质条件复杂，煤层厚度变化大且坚硬，但直接顶却易破碎。许多学者对厚煤层综放开采工作面矿压特征进行过研究，但在如此地质条件下进行大采高综放开采试验，神东矿区和国内外都无成功经验可借鉴。因此，对柳塔矿首采综放面的矿压显现规律的研究，就显得非常有价值和意义。

柳塔矿12108工作面开采1－2煤层，该煤层平均厚度7.3 m，倾角1～3°，含1层厚 0.05～0.28 m粉砂质泥岩夹矸。该工作面倾向宽度275 m，走向长度978 m，平均埋深100 m，设计采高4 m，采用ZFY10200／25／42型两柱掩护式放顶煤支架，采煤机型号为SL750，前后刮板输送机型号为SGZ1000／2×1000。

2 综放面矿压显现规律的数值模拟分析

2.1 数值模型建立

应用FLAC3D软件对12108工作面综放开采进行数值模拟。根据工作面覆岩柱状建立计算模型，模型300 m×270 m×127 m（长×宽×高），模型中各岩层物理力学参数根据实验室测试数据给定，见表1，采用莫尔－库仑强度准则计算。

表1 1－2煤层及围岩试块物理力学性质

2.2 模拟结果及分析

2.2.1 顶煤与顶板破坏情况

模拟了工作面推进到6 m、12 m和54 m时，顶煤与顶板垮落状况。

模拟从形成自重场开始，工作面推进6 m时，顶煤发生初次垮落，煤层中的夹矸层也完全垮落，但直接顶基本保持完好并没有破坏；当工作面推进了12 m时，直接顶发生初次垮落，垮落比较理想，支架后方夹矸与顶煤几乎与直接顶同时垮落，无明显滞后，老顶基本保持完好并没有破坏；当工作面推进了18 m、24 m、30 m时，直接顶都发生比较理想的垮落，破坏与12 m时类似，煤壁也不存在明显片帮现象，支架后方夹矸和顶煤依然发生比较理想的垮落；当工作面推进了54 m时，基本顶发生初次破断。可以推断此时基本顶发生初次来压，工作面初次来压步距约为54 m。模拟发现基本顶周期性垮落步距为8.7 m，直接顶和顶煤基本能够随采随冒，几乎同时垮落，无明显滞后，由此可以推断，老顶、直接顶和顶煤之间没有明显离层，垮落都比较理想，煤壁片帮问题不严重。

2.2.2 工作面超前支承压力状况

模拟了工作面推进到6 m、12 m和36 m时不同阶段，工作面前方煤层顶板垂直应力分布状况。

当工作面推进6 m时，煤壁前方应力峰值位置不明显；当工作面推进12 m时，煤壁前方约3 m的位置出现支承压力峰值，大小约为8.8 MPa，而在煤壁顶部正上方位置支承压力峰值更大，约为10 MPa；当工作面推进到36 m时，煤壁及其上方顶煤的支承压力峰值分布状况与前面阶段基本相似，但峰值位置约前移了1 m，数值增加至12 MPa；当工作面推进至54 m时基本顶发生初次破断，初次来压时支承压力峰值出现在煤壁前方7 m，大小为15 MPa，应力影响区范围15 m。

综上分析得出：该工作面顶板来压时的支承压力峰值和影响范围都明显小于其他类似厚度和硬度煤层综放面，这将有利于坚硬顶煤的冒放，从而提高综放面资源回收率。

3 综放面矿压显现实测及结果分析

3.1 工作面测站布置

12108工作面支架载荷测站和工作面超前支承压力测站布置如图1所示。

图1 工作面测站布置

（1）支架载荷测线。在工作面内共设3个测站，如图1所示，分上、中、下三条测线。为了观测支架左右立柱的工作阻力，在测线一（23＃、25＃、27＃架）、测线二（83＃、84＃架）、测线三（130＃、131＃架）共7架支架上分别安装1台CDW－60R矿用数字压力计。

（2）超前支承压力测站。观测超前支承压力的仪器为KSE－Ⅲ型钢弦记录／采集系统。观测站设在12108工作面回风巷，在工作面煤帮布置钻孔应力计进行观测。应力计测力仪安装在回风巷工作面侧煤壁内，并超前工作面125 m，见图1。在12108工作面综放开采过程中，在规定的时间内，用专用的频率计测试一次测力仪频率。在回风巷工作面煤壁侧设计了8个测点，测点之间水平距离为1.5 m，8＃～1＃测点应力计在煤壁内的埋深分别为16 m、14 m、13 m、12 m、10 m、8 m、6 m、4 m。

3.2 矿压观测结果及分析

3.2.1 顶煤与顶板破坏情况分析

矿压实测结果表明，12108工作面顶煤初次垮落步距和直接顶初次垮落步距分别为7 m和12 m；基本顶的初次来压步距为58 m，与数值模拟结果基本一致，初次来压期间煤壁片帮深度平均为1.5 m，片帮较为严重，且部分支架架前发生漏冒现象；支架工作阻力最大值达到10338.59 k N；工作面周期来压步距平均9.43 m，平均动载系数为1.36，周期来压时煤壁片帮不明显，见表2。

由表2可以看出，沿工作面方向周期来压有明显的规律性：一是工作面中部的周期来压步距明显小于两端，最大值出现在机尾位置；二是周期来压期间工作面中部支架的平均动载系数明显小于两端，极值出现在机头位置。

3.2.2 工作面超前支承压力

工作面超前支承压力共观测40 d，在此期间工作面推进了166 m。

各应力计监测工作面前方煤体应力分布数据如表3，工作面前方煤体应力实测曲线见图2。

表2 基本顶周期来压时实测数据统计

表3 工作面前方煤体应力分布

由表3可以看出，柳塔矿12108综放工作面采动支承压力超前影响范围平均为17 m，最大采动支承压力发生在工作面前方平均7.8 m处，最大应力集中系数为1.16。应力集中程度不高，平均只有1.08，主要原因是12108面埋藏浅，煤层硬度大。煤层坚硬导致支撑压力峰值点距离煤壁的距离也不大，大约在8 m左右，与数值模拟结果基本一致。实测的12108工作面超前支承压力剧烈影响范围大约在工作面前方15 m范围内，不但小于本矿井其他大采高工作面，也小于其他矿区类似综放工作面。因此，在12108综放工作面巷道实际超前支护合理距离为15 m。

实测资料表明，随着工作面采动变化，煤壁应力也随之发生显著改变。由图2可知，4＃应力计安装时，其初始应力为5.25 MPa。当工作面向前推进距测点位置21 m时，应力计能够采集到采动应力；随着工作面的继续推进，采动应力持续增大，当工作面距测试点10 m时，应力达到最大值6.09 MPa；也就是在采动应力作用下，工作面前方煤体内压力提高了0.84 MPa，相当于煤体受到30 m厚度岩层的重力作用。由此可知，必须加强工作面巷道超前支护。随着工作面继续推进，采动应力逐渐减小，当工作面距离应力计4 m时，采动应力开始小于原岩应力，表明从此处开始，煤体处于塑性破坏状态。由于塑性状态的煤炭对顶板支护能力降低，所以必须加强支架对顶板的支撑，否则易于产生煤壁片帮。

图2 4＃应力计监测的应力曲线

3.2.3 工作面支架载荷

实测工作面支架平均初撑力为4670 k N，远小于支架额定初撑力7144 k N。工作面机头部支架初撑力达到6000 k N的比例最低，为11.96%，平均初撑力为4256.60 k N；工作面中间支架初撑力超过6000 k N的比例最高，达到33.33%，初撑力平均为5857.29 k N。由此可知，工作面绝大部分支架的初撑力低于额定初撑力，支架工作效能低。该工作面支架初撑力偏小的原因有：移架后升架时间不足，升柱不到位，支架不能充分接顶；支架立柱维护不善，支架管路存在漏液和串液现象。

图3 84＃支架工作阻力频率分布

对工作面各支架的平均循环末阻力进行了实测统计，工作面所有支架平均循环末阻力值为6596 k N，远小于支架的额定工作阻力10200 k N。因此，支架实际支护能力远低于设计工作阻力，该型支架对于12108综放面仍有很大的富余量。实测表明工作面支架工作阻力分布较合理，例如84＃支架工作阻力频率分布图见图3，从图3中可以看出支架工作阻力绝大部分分布于5000～7000 k N的区间，远小于支架的额定工作阻力10200 k N。工作面回采完毕前，支架对工作面顶板的条件适应性是可以的。根据采集到的近一个月的有效矿压数据，对该段时间内液压支架安全阀开启情况进行分析，整体工作面安全阀开启率达到5.36%，表明支架基本能满足支护要求。

4 结论

（1）通过数值模拟方法初步分析了不稳定厚硬煤层综放面的矿压显现规律；12108综放面矿压实测结果表明：工作面初次来压步距为58 m，周期来压步距9.43 m，平均动载系数1.36，周期来压期间工作面支架平均循环末阻力为6596 k N，远小于支架的额定工作阻力10200 k N。

（2）应力实测结果表明：12108综放面支承压力超前影响范围约为15 m，支承压力峰值出现在煤壁前方6～8 m处，极值为15 MPa，确定柳塔矿综放面超前支护合理距离为15 m。

［1］任永强，于海湧，范志忠.两柱式放顶煤支架支撑效率分析 ［J］.煤炭科学技术，2011（4）

［2］于海湧，范志忠.神东矿区中硬厚煤层放顶煤开采实践 ［J］.煤矿开采，2011（3）

［3］索永录，刘建平，赵文华.复杂条件综放工作面矿压显现特征 ［J］.采矿与安全工程学报，2007（1）

［4］柴敬，侯树宏，崔洪明.高韧性煤层综放开采矿压显现规律 ［J］.采矿与安全工程学报，2007（3）

［5］刘胜志，杨小彬.大采高工作面矿压显现规律数值模拟研究 ［J］.中国煤炭，2011（12）

［6］刘宝珠，马亚杰，章之燕.特厚煤层放顶煤开采矿压显现规律研究 ［J］.中国煤炭，2012（4）

［7］钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2010

［8］程文东，李俊民，谢俊文.大倾角特厚煤层走向长壁综放采场矿压特征 ［J］.中国煤炭，2009（3）

［9］刘宝珠，马亚杰，章之燕.特厚煤层放顶煤开采矿压显现规律研究 ［J］.中国煤炭，2012（4）