综采工作面不规律生产期间矿压显现规律分析

李云飞，解振华，杨龙龙

(国能神东煤炭集团乌兰木伦煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017205)

0 引言

当前我国大部分煤矿已经实现机械化开采，但存在检修、停产、政策性等各种因素而造成综采工作面生产不规律的问题，导致综采面矿压增加明显，生产过程中顶板冒落[1-2]；停止生产时，工作面顶板下沉，造成后续生产过程中煤机无法通过，进一步增加综采工作面安全风险[3-4]。

各专家学者多年来从不同的角度对矿压理论进行了研究[5-10]，随着现代数学理论的发展，非线性理论和分形理论也被应用到矿压理论分析[11-12]，基于研究和现场实践工作，从日常观察数据总结、分析。为准确掌握综采工作面在不规律生产期间矿压变化规律，准确预测综采工作面停产期间压力变化趋势和变化幅度，有针对性的对顶板压力进行监测，在最合理的时间提前规避压力；根据顶板下沉，减少顶板事故的发生，控制了安全隐患，合理安排矿井生产时间，为矿井配煤和检修赢取最佳时间。

1 工作面概况

1.1 四邻关系

12404综采面为1-2煤四盘区第4个工作面，西南侧为12425～12427采空区，北侧为12405综采面(实体煤)，东为1-2煤四盘区3条大巷、南侧为12403采空区，如图1所示。

图1 12404-1综采面示意Fig.1 12404-1 fully mechanized mining face

1.2 地质概况

该区呈沙丘地貌，地表基本为第四系风积沙所覆，沙丘、沙垅发育，地表植被丛生。根据顺槽揭露情况，煤层表现为宽缓波状起伏，总体为正坡推进，上覆基岩厚117～135 m，第四系松散层厚14～16 m，松散层不含水。煤层倾角为1°～3°，煤层厚1.9～2.4 m，平均2.2 m，设计采高2.7 m。

1.3 工作面顶底板岩性

工作面直接顶板岩性为细粒砂岩，自然状态下较为坚固，日晒后易于风化，饱水后强度降低并具明显塑性。自然状态下抗压强度32.63 MPa，饱水后抗压强度降为24.12 MPa，普氏系数3.31，软化系数0.60。该岩组按软化系数评价，工程地质性质较差，按普氏系数评价为中等坚固岩石。按RQD值评价为中等完整岩层。

工作面底板岩性为泥岩，自然状态下较为坚固，日晒后易于风化，饱水后强度降低并具明显塑性。自然状态下抗压强度28.44 MPa，饱水后抗压强度降为18.57 MPa，普氏系数2.82，软化系数0.57。按普氏系数评价为中等坚固岩石。按RQD值评价为完整性差的岩石层。

工作面老顶为粗粒砂岩，自然状态下抗压强度32.63 MPa，饱水后抗压强度降为24.12 MPa，普氏系数3.31，软化系数0.60，岩石质量指标RQD值，全胶结岩石70%～74%，半胶结岩石51%～62%。该岩组按软化系数评价，工程地质性质较差，按普氏系数评价为中等坚固岩石。按RQD值评价为中等完整岩层。

1.4 煤质情况

12404综采面回采煤层为1-2煤层，煤层发热量21.7 MJ/kg，水分18.8%，灰分11.7%，硫份0.6%。在回采过程中，因煤层厚度在1.9～2.4 m，设计采高2.7 m，实际回采煤层发热量低于21.7 MJ/kg，不能满足矿井经济效益，故在实际生产过程中需与其他煤层进行配合开采，造成该工作面在特定时间状况下不规律生产。

2 工作面矿压监测

该综采工作面采用尤洛卡KJ216系统把工作面各支架矿压数据上传到电脑，人为下载数据进行监督，两顺槽采用人工制作记号，观察顶板底下沉量和顶板离层仪进行观测。

2.1 工作面矿压观测手段

通过调取尤洛卡KJ216矿压观测值，利用Excel软件绘制成压力曲面图，每隔50 bar用一种颜色表示，通过不同颜色表示顶板压力变化情况，同时记录工作面支架的支护状况以及围岩的控制情况，包括支架的初撑力、来压时安全阀开启及立柱下缩量、来压时顶板切顶、漏矸以及煤壁片帮情况、超前区域矿压数据及立柱下沉和单体行程变化数据的收集、两顺槽顶底板两帮移近观测等。

2.2 顶板离层观测

对主运顺槽、回风顺槽距离综采面300 m范围内联络巷口部的顶板离层仪观测，主运顺槽进入综采面联络巷及以里的、回风顺槽300 m范围内的顶板离层仪，一天一观测，并做好相应记录。

2.3 工作面支架下沉量观测

对工作面当天夜班生产完毕后的工作面每10架人工吊挂一组顶板下沉监测点，每天在生产前对工作面顶板下沉量进行观测并做好响应记录，以保证该工作面在停产期间顶板下沉有监测和下次生产期间工作面采高能满足煤机通过最小采高。通过实际观察发现，工作面下沉量较小，一个早班下沉高度5～40 mm之间。

3 正常生产期间矿压变化

3.1 正常回采期间矿压分析

12404综采面正常回采月份来压步距12.19 m，压力增阻区在3.44～11.71 m之间不等，压力增阻平均在6.10 m，压力稳定区在2.76～11.71 m之间不等，平均压力稳定区在5.62 m。来压期间伪顶垮落，工作面漏顶高度在200～400 mm顶板难以管理。未来压期间工作面完整，来压期间支架工作阻力在300～533 bar之间，平均416.5 bar，动载系数在1.34～2.02之间，平均1.62，工作面个别安全阀开启。

3.2 直接顶垮落情况

工作面自开始回采，推采16 m后机头1#～10#支架段后方直接顶全部垮落、48#～68#支架段后方直接顶全部垮落；推采至25 m后只剩机尾三角区直接顶垮落不及时；推采38 m后直接顶全部垮落完毕，工作面压力正常，无压力显现。正常开始回采后，综采工作面顶板能随工作面推进而及时垮落，不存在顶板垮落不及时造成的悬顶等问题。

4 不连续期间矿压变化情况

4.1 非正常开采月份矿压情况

12404综采面3月份平均来压步距12.4 m，压力增阻区在3.44～11.71 m之间不等，压力增阻平均在6.54 m，压力稳定区在2.07～9.65 m之间不等，平均压力稳定区在5.86 m。来压期间伪顶垮落，工作面漏顶高度在200～1 500 mm顶板难以管理。未来压期间工作面顶板不完整，来压期间支架工作阻力在300～5 519 bar之间，平均452.5 bar，动载系数在1.25～2.12之间，平均1.69，工作面个别安全阀开启。

4.2 正常停产期间压力变化情况

12404综采面在停产期间，当停产在压力增阻区时，来压步距适当减小；当停产在压力稳定区时，来压步距变化不明显。停产期间，压力增长值与停产时间呈正相关，随停产时间的增长，压力也随之增长；随停产时间继续延长，压力增长值将逐渐平缓区域稳定，如图2～5所示。

图2 12404综采面停产8 h期间压力增长曲线Fig.2 Pressure curve of 12404 fully mechanized face during 8 hour shutdown

图3 12404综采面停产16 h期间压力增长曲线Fig.3 Pressure curve of 12404 fully mechanized face during 16 hour shutdown

图4 12404综采面停产8 h期间压力增长率Fig.4 Pressure growth rate of 12404 fully mechanized face during 8 hour shutdown

图5 12404综采面停产16 h期间压力增长率Fig.5 Pressure growth rate of 12404 fully mechanized face during 16 hour shutdown

正常生产期间顶板压力增长主要在停机前的12 h以内压力增长幅度较大，故在停产期间需做好前12 h压力观测和顶板下沉记录。根据曲线增长率分析，在停产期间前10 h增长率较高。

5 结论

(1)通过压力增长曲线分析，综采工作面顶板下沉和压力增长观测最佳时间为停产后12 h以内，12 h以外压力增长区域平缓。

(2)根据压力增长率曲线分析，综采工作面压力增长过程中与停产初始压力有关，在停止生产时压力大，则工作面在停产时压力较快。

(3)综采工作面停产过程中，压力增长最快的时间段是未停机后的10 h以内。为了掌握工作面顶板下沉情况，应当在停机后立即进行下沉量观测，超过5 h后观测对顶板下沉量有加大误差。

(4)停产期间，顶板压力随时间增长压力呈现增长趋势，故需控制非人为停机次数以及停机时间。