复杂地质条件下综采工作面矿压显现规律研究*

李 杨 杨天鸿 刘洪磊 姚 飞

(1.东北大学资源与土木工程学院;2.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室;3.沈阳奥思特安全技术服务集团有限公司)

随着采矿工业和其他科学技术的发展，人们越来越认识到矿山压力具有一定的规律，只要认真开展矿山压力研究，掌握矿山压力显现规律，遵循矿山压力显现规律，就能为矿井开拓、巷道布置、井巷支护及顶板管理提供切实可行的安全技术措施［1］。对深井开采［2-4］、大采高开采［5-7］、三下“开采［8-9］、三软”开采［10-12］等各种地质条件下各种采煤方法的矿压显现和岩层控制都取得了突出的成果，为各类复杂条件下顺利实现回采创造条件。但对于复杂地质条件下的矿压显现规律研究较少，需要进行更多深入的研究。

大安山煤矿现已进入深部开采阶段，井田内的褶曲构造是影响矿井采区划分和采煤方法的最主要构造因素。由于井田内褶曲密度大，褶曲紧密且多为倒转或紧闭倒转褶曲，造成煤层以倾斜和急倾斜为主，煤层厚度变化大，赋存强烈不协调。受地质条件、围岩性质、采掘工艺、支护方式等因素的影响，大安山矿区工作面和巷道都存在着不同程度的冲击地压现象，随着开采量的增加，采掘深度也不断增加，冲击地压发生的频率就越来越高，危害程度也越来越大，已经成为矿区进行安全、高效生产的瓶颈之一。本研究揭示大安山煤矿工作面来压规律，避免或减缓冲击倾向，保障有冲击倾向煤层安全开采，寻找出大安山煤矿冲击地压防治的理论依据，对大安山煤矿及类似具有复杂地质构造的缓倾斜煤层矿井开采具有一定的指导意义。

1 工作面概况

大安山煤矿位于北京西部山区，现矿井核定生产能力160万 t/a。轴13槽东一面工作面位于+550 m西一至西二石门上部，东至百草台倒转向斜南轴，西至东一面下巷，上至+680 m西二西巷北石门大巷，下至中部轨道上山。煤层厚度2.2 m，煤层结构简单，赋存较稳定;东一面工作面走向长773 m，倾斜长151 m，煤层倾角7°～28°，平均 16°，煤层顶底板岩性特征见表1。

表1 煤层顶底板特征

本区域位于轴部构造部位，煤层的总体走向250°～280°，倾向340°～10°。倾角7°～28°，平均倾角16°。煤层顶板发育有小断层及波浪起伏，跟据东一面现已揭露巷道情况来看，发育小断层4处，在东一面切眼528#前17.6 m处，有一个正断层，产状330°∠45°，厚度1.0 m，在东一面上巷551#后5.5 m处有一正断层，产状 260°∠60°，厚度 0.5 m。在551#点后13.1 m 处有一正断层，产状275°∠65°，厚度0.2 m。在东一面上巷15#点前1 m处有一正断层，产状300°∠79°，厚度1.7 m。据东一面现已揭露巷道资料来看，东一面中部轨道上山到35#点后8 m前2 m范围内和东一面下巷49#点至55#点处，煤层变薄，分析推断有1条不可采边界，对本工作面回采有一定影响，在回采过程中加强断层区域及破碎地带的顶板管理。

2 矿压观测方法

通过对超前顺槽以及工作面支柱工作阻力等方面的长时系统观测，对工作面顶板来压进行预测预报分析。通过监测，可以摸清顶板运动规律和相对应的矿山压力显现规律，为进行有效顶板控制和安全开采提供依据。工作面测区布置采用山东省尤洛卡自动化仪表有限公司生产的KJ216煤矿顶板动态监测系统。如图1所示，自工作面下端头往上第3部支架(4.5 m)开始，自下而上沿工作面每7部支架(10.5 m)设置1条监测线，测线上下5.25 m为测区;初采工作面141 m共计布置14条测线，共安设14台综采压力监测分机。随工作面的延长而增加测点。在工作面的上、下顺槽，自顺槽口开始每4.8 m设置一个压尺点，以供量测工作面推进距离之用;在工作面的上、下顺槽超前支护内从煤壁开始往外每隔4.8m，设1个测力支柱及顶底板移近测点，用以监测顶底板位移情况;上下顺槽超前支护各设5个测点，控制范围为24 m，测点随回采依次回撤前移，上下顺槽内始终保持5个测点不变;在每个测点处安装1台矿用数字压力计，共计安设10台单柱压力分机。

3 矿压观测结果分析

大安山煤矿采用倾斜长壁综合机械化一次采全高采煤法，即双滚筒采煤机落煤、装煤，支撑掩护式液压支架掩护顶板。每天分3班次开采，平均每班次开采1 m左右。选取2011年7月1日至9月25日工作面连续开采了200 m左右的监测数据作为分析对象，对大安山煤矿轴13槽东一面工作面矿压显现进行分析研究。

3.1 工作面支架载荷与顶板来压步距

本研究依据下式作为老顶来压的判别准则［13］:

式中，PLY为判定老顶来压的工作阻力，珔P为观测期间全部支护阻力平均值，σP为支护阻力均方差。

以实测阻力平均值珔P加其1倍均方差σP为老顶来压的判据PLY，见表2。

表2 工作面各测区来压判据

以三测区、八测区和十一测区为例，根据表2判定历次来压的步距。

从图2可以大致地确定老顶来压性质、位置和顺序。

根据图2的分析方法可以得到工作面各部位的来压步距，如表3所示。

据观测，正常阶段，直接顶基本随采随冒，无悬顶。工作面上、下端部采空区顶板垮落不一致，呈现不对称性。老顶的平均初次来压步距为52.67 m，平均周期来压步距为22.12 m。工作面上、中、下部的初次来压步距和周期来压步距不尽相同。

工作面上部、中部、下部平均初次来压步距分别为54.1、53.5、50 m。初次来压中部较上部先来压，但基本趋于同步，而下部步距比上部、中部都小，分析原因可能是由于煤层倾角以及顶板厚度不一致造成的。工作面上部、中部、下部平均周期来压步距分别为21.74、21.35、23.68 m。周期来压步距下部较上部有加大的趋势，而中上部趋于同步。实测结果表明:老顶的周期来压，沿工作面方向并不是同时来压，而是呈现局部来压、迁移特征。从表3中可以看出，十三、十四测区的数据显示老顶初次来压和第一次周期来压时间要明显领先于其他测区，这是一种十分值得关注的特征。

图2 工作面典型支架压力变化曲线的来压步距判定

表3 工作面平均来压步距

3.2 工作面“支架－围岩”关系研究

工作面上部、中部、下部的典型实测支架载荷分布直方图如图3所示。

图3 工作面典型实测支架载荷分布直方图

根据对支架压力统计结果分析，工作面上的支架压力大小明显集中在20～30 MPa之间，但上部以21～25 MPa为主;中部支架压力31～35 MPa范围内的比例较之上部显著增加，21～25 MPa范围内的比例减小;下部和上部相似，21～25 MPa占到很大比例。通过支架载荷的分布，可知工作面不同位置周期来压的表现具有较大的差异，相比较而言，工作面中部支架阻力要明显大于上部和下部，工作面两端的周期来压显现要弱于工作面中部。正常开采过程中，来压时工作面中部压力显现较明显，支架工作阻力接近于额定工作阻力，支架选型能满足工作面的支护要求。

3.3 巷道矿压观测

工作面来压时刻上、下顺槽典型的支撑载荷压力变化如图4所示，可以确定工作面前方应力增高的峰值及峰值点距工作面的距离，得到的结果见表4、表5。

图4 上下顺槽支撑载荷曲线峰值点的确定

表4 上顺槽应力增高峰值及峰值点距离

表5 下顺槽应力增高峰值及峰值点距离

从表4、表5中能够得到上顺槽工作面前方应力增高的峰值20～37 MPa，峰值点距工作面8～16.2 m，平均峰值24 MPa，距工作面12.17 m;下顺槽工作面前方应力增高的峰值20～36 MPa，峰值点距工作面8～13.6 m，平均峰值23.57 MPa，距工作面9.46 m。上顺槽和下顺槽应力增高峰值相差不大，但峰值点距工作面的距离下顺槽较上顺槽小3 m左右，相差较大。

4 结论

(1)工作面上部、中部、下部初次来压步距分别为54.1、53.5、50 m;周期来压步距分别为21.74、21.35、23.68 m。老顶的平均初次来压步距为52.67 m，平均周期来压步距为22.12 m。

(2)工作面中部支架阻力要明显大于上部和下部。

(3)来压时刻，上下顺槽工作面前方压力增高的范围分别是8～16.2 m和5.2～13.6 m，平均为12.17 m和9.46 m，压力平均峰值分别为24 MPa和23.57 MPa。

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