不同覆岩条件下采煤工作面矿压显现规律

李 晋(西山煤电集团公司 官地矿，山西 太原 030000)

不同覆岩条件下采煤工作面矿压显现规律

李 晋
(西山煤电集团公司 官地矿，山西 太原 030000)

以某矿首采工作面71312工作面为背景，研究该工作面不同覆岩条件下矿压显现规律。不同块段含水层载荷传递作用的不同导致了工作面覆岩结构特征的差异，使得不同覆岩破断特征条件下工作面矿压显现特征出现了明显差异。不同阶段顶板岩性完整程度的不同以及顶板预裂爆破设计方案差异所引起的顶板弱化程度不同，也是导致工作面矿压显现特征不同的重要原因。

首采工作面；覆岩条件；矿压显现规律

1 工程概况

某矿7131工作面位于井田东翼三采区，7131切眼与DF5断层毗邻，西以三采区第一中部车场为界，南北分别以7131风巷、机巷为界。工作面沿走向布置，风巷靠近“四含”防水煤柱。7131沿空风巷南侧为7130采空区，自A1点沿空掘进与7130机巷留有5 m的煤柱。为探放7130老空水，在改造切眼N4点拨门施工一条长270 m的排水巷，在排水巷对7130老空区水进行探放，排水巷距老空区35 m. 地势较平坦。地面有后桥村，无河流。

7131工作面起止标高-393～-473 m，走向长度1 686.6 m，倾斜长度161～165.9 m，采用走向长壁综合机械化采煤方法，顶板管理为垮落法。煤层开采厚度1.9～4.0 m，平均3.0 m. 该工作面内71煤层产状变化不大，倾向355°～35°，倾角11°～16°，平均13°. 工作面内有284、采前3、29-302、303、高91钻孔控制。地面标高一般为+21.6 m.

工作面71煤黑色，以块状、粉末状为主，弱玻璃光泽，半暗～半亮型。根据钻孔及实际揭露，该区域属71煤和72煤合并区，煤层最大厚度为4.1 m，最小煤厚2.5 m，平均厚度M=3.19 m. 煤厚变异系数γ=9%，可采性指数km=1.0. 煤层结构较复杂。该工作面内71煤层产状变化较大，煤层含1～2层夹矸，厚0.24～0.7 m，煤层顶底板情况见表1.

表1 煤层顶底板情况表

工作面基本顶一般为浅灰色中砂岩，局部为细砂岩及砂泥岩互层，厚度为8.41～20.75 m，平均14.4 m；直接顶一般为深灰色泥岩，局部为浅灰色粉砂岩及中砂岩，厚度不稳定0 ～3.7 m，平均厚1.7 m；底板一般为灰～深灰色泥岩，泥质结构，致密、块状、含植物碎片；顶底板较平整，局部裂隙发育，凸凹不平，属二类。

2 工作面矿压观测目的及观测方案

1) 观测目的。

通过观测，掌握7131工作面采用高阻力支架后的矿压显现规律，主要包括工作面初次来压规律；6130工作面停采线以内7131工作面在上覆采空区下的来压规律(第Ⅰ、Ⅱ块段)；6130和7130工作面在停采线以外未采区域的矿压显现规律(第Ⅲ块段)；工作面采空区下与实体煤岩柱区域下来压规律的对比分析。

2) 观测方案。

在7131工作面共布置13个CDW-60R型支架压力记录仪，将工作面分为3个压力观测区，其中3#、8#、13#、18#、23#为工作面下部观测区，28#、36#、44#、52#为工作面中部观测区，60#、68#、76#、84#为工作面上部观测区，其它支架上均安装数显压力表。7131工作面压力监测仪器布置情况见图1.

图1 工作面压力监测仪器的安装位置图

3) 观测的主要内容。

a) 初撑力P0.

初撑力P0指支架的初始工作阻力。它的大小与乳化液泵站的工作压力有关，且受管路损失和操作质量等因素的影响。支架整架初撑力可由式(1)计算：

(1)

式中：

Qoi—支架初撑时立柱油缸高压侧的压力，MPa；

D—支柱油缸内径，mm；

Z—支架立柱数目。

b) 循环末阻力Pm.

循环末阻力Pm指循环末移架前的工作阻力。正常情况下，循环末阻力为循环内的最大工作阻力，支架循环末总阻力可由式(2)计算：

(2)

式中：

Qmi—循环末立柱油缸高压侧的压力，MPa.

由于支架工作阻力随时间而不断发生变化，所以循环末阻力还不足以反映支架的全面受力情况。例如，同一支架两个不同循环立柱的末阻力可能相近或相等，但在循环内支架立柱的受力状态差别却可能很大。时间加权平均阻力Pt则可以反映出这一差别。

c) 时间加权平均阻力Pt.

时间加权平均阻力Pt指一个采煤循环内以时间为加权计算的平均工作阻力。根据工作阻力与时间的关系曲线(p-t)可计算Pt，其值为曲线下所包围的面积除以受力的总时间。

d) 支护强度q.

支护强度q系指支架对顶板的支护阻力与其支护面积F的比值。对于掩护式支架，由于立柱与顶板有一定的夹角，则需要再乘以支护效率。

e)p-t关系曲线。

统计支架的工作特性曲线，即统计阻力与时间关系曲线的类型。统计不同时期(周期来压与非周期来压)各种类型关系曲线所占的百分数，以此分析。

根据工作面布置情况，沿工作面推进方向将工作面分为3个区域，分别为第Ⅰ块段、第Ⅱ块段和第Ⅲ块段，下面分别就3个块段的矿压显现规律进行分析。

3 不同覆岩条件下矿压显现规律的对比研究

1) 第I块段。

7131面第Ⅰ块段覆岩情况见图2. 在7131工作面第I块段的开采过程中，发现工作面中上部(45#～91#支架范围)普遍存在片帮漏顶现象，尤其以65#～91#支架为主，而工作面中下部基本无片帮和漏顶。

利用数值模拟手段对其原因进行分析：

a) 由Flac数值模拟的初步结果发现，6130工作面开采后，在顶底板形成了一定范围的卸压区域。煤层倾角的存在，导致顶板的卸压区域向上山方向偏移，而底板卸压区域向下山方向偏移，卸压区域呈现非对称性的分布，见图3.

图2 7131面第Ⅰ块段覆岩情况示意图

图3 6130工作面开采后顶底板垂直应力分布情况图

b) 6130工作面与7130工作面开采完之后，在7130面机巷和6130面风巷之间的未采区域内，形成了一定范围的应力集中区，导致7131工作面开采过程中，工作面中上部区域压力较大，煤壁片帮明显，漏顶现象频繁，而工作面中下部由于上覆6130工作面采动卸压的影响，压力相对缓和，煤壁片帮和漏顶现象较少，见图4.

图4 7130工作面开采后顶底板垂直应力分布情况图

结合上述数值模拟的结果，工作面中上部应力集中区域的存在，导致采动前顶板受高应力作用，裂隙较为发育，在采动超前支承应力的综合影响下，顶板破碎程度大，直接造成工作面煤壁片帮、漏顶等现象。

由于工作面下部受采空区影响，上部支架仍处于实体煤岩柱区域下，加之第I块段煤层顶板分层较多、岩性较软、整体性差，造成工作面上部区域顶板破碎现象严重，漏顶、片帮等现象频繁发生。分析其来压规律发现，工作面下部区域顶板完整，来压步距相对较大，上部区域顶板来压步距较小。

2) 第II块段。

分析认为，这种现象与工作面顶板覆岩结构有直接关系。工作面第II块段不同开采阶段矿压显现规律的对比见表2.

表2 工作面第II块段不同开采阶段矿压显现规律的对比表

根据推进不同阶段矿压显现规律的对比分析，得出以下结论：

a) 中部支架载荷整体较上部和下部偏大，动载系数偏大，持续长度也偏长。上部区域的来压步距比下部略小，支架载荷相差不大。

b) 采取顶板预裂爆破措施后，来压步距、来压持续长度整体减小。

工作面1#～44#支架位于上覆6130工作面采空区下方，7131工作面在开采之前顶板就处于卸压区域。同时，由于上覆煤层已经回采，61煤层顶板发生了破断，基岩顶部的含水层不能充分地将表土层载荷传递到基岩顶界面。因此，作用在工作面顶板的载荷作用也相对较小。

在工作面中上部，由于上覆61煤层没有开采，7131工作面处于初次采动状态，因此含水层载荷作用仍然能够持续作用到基岩顶界面，影响覆岩的破断特征。根据工作面来压现象及周期来压特征的分析结果，认为工作面中上部顶板中两层厚硬砂岩在破断过程中也属于整体同步，因此对顶板来压的影响较为剧烈，而且由于两层硬岩层及其中间的软弱夹层在破断运动过程中，形成一个整体，导致其破断回转过程中，对支架作用时间较长，而且来压期间的载荷也相对较大。

因此，从弱化顶板坚硬岩层、防止压力持续过大导致顶板下沉量增大从而增加工作面压架危险性的角度出发，需要对顶板的坚硬岩层实施超前预裂爆破弱化。

3) 第III块段。

工作面进入第III块段之后，覆岩均处于未受采动影响的状态，同样对工作面回采过程中，就上、中、下不同区域支架来压特征进行了统计与对比。9月8日—12月20日工作面来压特征情况统计表见表3. 由表3可以看出，工作面整体上来压步距与第II块段相比减小，在16.2～22.4 m，工作面下部与上部支架来压步距较大，中部来压步距偏小，平均为16.2 m. 工作面中部支架载荷较两侧偏大，动载系数中部也偏大，来压持续长度与来压步距的表现特征一致，表现为中部小、两端大的特征。

表3 9月8日—12月20日工作面来压特征情况统计表

由于顶板覆岩结构在整个工作面没有本质上的差异，所以工作面在回采过程中，表现出的来压特征与传统的认识是一致的，即中部来压相对剧烈，上、下部支架阻力相对较小，来压相对缓和。

4 总 结

本文分析了不同块段工作面矿压显现规律出现差异的主要原因，不同块段含水层载荷传递作用的不同导致了工作面覆岩结构特征的差异，使得不同覆岩破断特征条件下工作面矿压显现特征出现了明显差异。不同阶段顶板岩性完整程度的不同以及顶板预裂爆破设计方案差异所引起的顶板弱化程度不同，也是导致工作面矿压显现特征不同的重要原因。

[1] 刘新杰,张 信,林 超.薄煤层综采工作面矿压显现规律研究[J].山东煤炭科技，2011(1):18-21.

StrataBehaviorLawinCoalFaceunderDifferentStrataConditions

LIJin

Taking the first mining face of a coal mine as the research background, the paper studies the law of rock pressure behavior under different overburden conditions. Load differs in transformation in different aquifers block lead to differences in overburden rock structure characteristics. There is an obvious difference in strata behavior under the condition of strata breakage. Roof weakening is not the same due to difference in roof integrity, in stages and in the design schemes for roof pre-fracturing blasting that bring about the different characteristics of the rock pressure in the working face.

First mining face; Strata conditions; Mine pressure behavior

·试验研究·

2017-07-28

李 晋(1989—)，男，山西原平人，2012年毕业于太原理工大学阳泉学院，助理工程师，主要从事煤矿调度工作(E-mail)1557519378@qq.com

TD323

B

1672-0652(2017)10-0009-04