上灣煤礦8.8m綜采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

段 偉

(國家能源神東煤炭集團上灣煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

隨著采礦技術(shù)和采礦設備的發(fā)展，綜合機械化采煤的高度越來越高。大采高工作面礦壓顯現(xiàn)更加強烈，片幫、冒頂、壓架等[1，2]事故頻發(fā)。針對神東礦區(qū)淺埋煤層大采高工作面，眾多學者從關(guān)鍵層破斷形式[3，4]、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[5，6]、支護阻力[7，8]、礦壓防治[9-11]等方面進行了深入研究[12，13]。鞠金峰等對神東礦區(qū)補連塔煤礦22303工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了總結(jié)[14]，得出工作面來壓步距及動載系數(shù)呈現(xiàn)出大小交替的周期性變化規(guī)律的結(jié)論；來興平[15]等利用相似材料模擬方法，對張家峁煤礦5-2淺埋特厚煤層6.0m大采高綜采工作面支架適用性進行評價，判定支架能夠滿足實際生產(chǎn)需要；神東上灣煤礦12401綜采面是世界首個8.8m大采高一次采全高工作面。隨著采高的增加，上述規(guī)律和措施能否適用不得而知。王海軍[16]等對8.8m大采高工作面液壓支架進行研究，張宏偉[17]等采用數(shù)值模擬和相似材料模擬等手段，對8.8m大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行研究。這些研究結(jié)果是否符合現(xiàn)場實際，還需驗證。本文基于上灣煤礦12401綜采面實測數(shù)據(jù)，從支架能否滿足工作面生產(chǎn)要求及礦壓規(guī)律顯現(xiàn)情況兩個方面進行研究，為工作面安全高效開采提供理論支持，同時可以為后續(xù)研究提供參考。

1 工作面開采地質(zhì)條件

上灣煤礦是國家能源神東煤炭集團主力生產(chǎn)礦井之一，核定生產(chǎn)能力為1600萬t/年，井田面積61.8km2，地質(zhì)儲量12.3億t，可采儲量8.3億t。上灣煤礦12401綜采面是世界上首個8.8m大采高綜采工作面，也是12煤四盤區(qū)首采面。

12401綜采面沿傾向布置，工作面長度299.2m，推進長度5254.8m，可采出煤量為1754.6萬t。綜采面煤厚7.56～10.79m，平均煤厚9.16m，綜采面煤層整體厚度穩(wěn)定，設計采高8.8m。12401綜采面埋深為130～240m，偽頂為泥巖，抗壓強度約11.3～13.2MPa，普氏系數(shù)約1.32，堅固性較低，屬不堅硬類不穩(wěn)定型；直接頂為灰白色細粒砂巖，抗壓強度約13.3～15.2MPa，普氏系數(shù)約1.35，堅固性較強，屬堅硬類不穩(wěn)定型；老頂為灰白色粉砂巖，抗壓強度約14.5～36.6MPa，普氏系數(shù)約2.32；直接底為黑灰色泥巖，抗壓強度約12.6～17.5MPa，普氏系數(shù)約1.86。

2 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實測

2.1 觀測方案

為了能夠顯示工作面壓的整體情況，采用礦壓曲面方法進行研究，從綜采面切眼位置初采時開始持續(xù)進行觀測，該方法在綜采面128臺液壓支架上每隔5架布置一個測點，即將測點布置在5#、10#、15#、20#、…、125#支架上，綜采面共布置了25個測點，相比單臺支架曲線圖的方法，本方法測點多，且能反映在一張圖上，能看出工作工作面各區(qū)域的來壓情況，對現(xiàn)場更有指導意義。

2.2 初次來壓規(guī)律

本工作面為盤區(qū)首采面，切眼高6m，寬11.4m，切眼附近埋深220～240m。12401綜采面從2018年3月20日中班開始回采。初采期間，支架后采空區(qū)會出現(xiàn)長距離大面積空頂，通過采用深孔預裂爆破，破壞直接頂和老頂整體性，縮短老頂初次來壓垮落步距和來壓強度。

強放后工作面采高控制在6.5～7m，工作面支架壓力較小，一般為25～30MPa，而且煤壁較硬，推進到45m時，工作面支架壓力增大，30#—95#區(qū)域支架壓力普遍超過了40MPa，其中35#—80#支架壓力最大，最高達到了49～51MPa，超過安全閥開啟值47.2MPa，壓力持續(xù)距離為5m。通過統(tǒng)計得出工作面初次來壓步距為45m，含切眼寬度56.4m。

工作面初次來壓時雖然達到閥開啟值，但現(xiàn)場煤壁未出現(xiàn)大面積片幫現(xiàn)象，但在煤機滾筒附近和局部出現(xiàn)片幫和炸幫現(xiàn)象，表明工作面煤壁受超前壓力變大影響，開始進入破壞階段。初次來壓前后，經(jīng)勘察地表無裂縫。

2.3 周期來壓規(guī)律

以2018年4月11日—7月18日實測礦壓數(shù)據(jù)為對象進行研究分析。經(jīng)對比分析，得出在該段時間內(nèi)周期來壓規(guī)律可分為三個階段，三個階段規(guī)律有一定差異性。

2.3.1 推進50～129m周期來壓規(guī)律總結(jié)

從4月11日初次來壓之后，至4月26日，共推進79m(50～129m)，周期來壓7次。12401面第一階段周期來壓曲面圖如圖1所示。

此期間為剛發(fā)生初次來壓后，工作面采高開始增加，逐漸從6.5m增加到7.5～8m，綜采面推進60m時，全工作面出現(xiàn)片幫加大的情況；在前3個周期來壓時，30#—80#支架區(qū)域煤壁片幫嚴重，煤壁變酥，后滾筒打出護幫后仍然片幫；大部分工作面上半部分煤壁片幫深度1～1.5m，煤壁呈現(xiàn)“月牙型”。

從統(tǒng)計來看，本階段周期來壓步距在8～11m，平均10.05m，步距較短，由于采高大，來壓強度大，普遍達到45MPa以上，綜采面中部區(qū)域能達到47～52MPa，本階段，地表開始逐步出現(xiàn)裂縫地面裂縫寬度為50～100mm，裂縫兩側(cè)高差在200mm。

2.3.2 推進130～300m周期來壓規(guī)律總結(jié)

此階段工作面埋深在220～230m，與切眼附近基本相同，由于推進速度慢，來壓步距較小，整體有“大-小”來壓周期規(guī)律，部分周期來壓又有“兩大一小”的規(guī)律。兩次大來壓步距約為15m，隨后的一個來壓步距較小，一般在8～11m，最小的有5m。

圖1 12401面第一階段周期來壓曲面圖

圖2 12401面第二階段周期來壓曲面圖

來壓強度上也存在兩次較強來壓，一次一般來壓的情況。較強來壓時片幫嚴重，梁端距大，如第8次來壓，40#—60#架最大壓力達到了49～50MPa。在采取沿頂回采，加強初撐力管理后，發(fā)揮出支架高工作阻力的優(yōu)勢，頂板管理效果明顯改善。一般來壓時為局部來壓，來壓范圍小持續(xù)時間短。

本階段，地面裂縫寬度為100mm，裂縫兩側(cè)高差在300mm以上，下沉量較大。

2.3.3 推進300～634m周期來壓規(guī)律總結(jié)

本階段工作面埋深為200～220m，工作面生產(chǎn)趨于正常，推進速度明顯加快，共統(tǒng)計21次周期來壓，總平均來壓步距16.4m，每次周期來壓與非周期來壓有明顯的界限，非周期來壓期間支架壓力不超過30MPa，來壓時，支架壓力一般從30MPa開始上升，局部達到安全閥開啟值；此階段工作面來壓有如下特點：

在來壓步距方面，仍然有“大小”步距之分，一般2～4次大步距后會出現(xiàn)一次小步距，大步距大多數(shù)在17～24m之間，小步距在9～12m。

在來壓強度上也有“強-弱”之分，強來壓次數(shù)增多，一般兩到三次強來壓后會出現(xiàn)一次較弱來壓。強周期來壓能達到50MPa，表現(xiàn)為大面積來壓，來壓持續(xù)時間長，片幫和頂板漏矸嚴重，而弱周期來壓一般剛超過40MPa，表現(xiàn)在局部來壓，持續(xù)時間較短，與第前兩個階段相比，此階段周期來壓壓力達到50MPa的變少，分析與埋深變淺有關(guān)。

圖3 12401面第三階段周期來壓曲面圖

本階段，工作面地面裂縫寬度為500～2000mm，裂縫兩側(cè)高差在400mm，下沉量較大。經(jīng)設點實測，采空區(qū)內(nèi)地表累計最大位置為距切眼中部80m，累計最大下沉量達到6m。

3 支架適應性評價

3.1 工作阻力估算

按礦壓觀測獲得的支架循環(huán)末阻力進行支架工作阻力的估算方法可采用公式(1)計算：

(1)

按兩種方式進行統(tǒng)計估算：

(2)

(3)

從推進300～634m期間以來壓強烈的第21次來壓計算，見表1。

按式(2)進行計算，本次來壓60#、65#架區(qū)域循環(huán)末阻力最大，對應的估算支架工作阻力超過了26000kN，占來壓區(qū)域的其余10.5%。

表1 周期來壓期間循環(huán)末阻力統(tǒng)計表 MPa

表2 非來壓期間循環(huán)末阻力統(tǒng)計表 MPa

按(3)式計算，本次周期內(nèi)，45#、55#—75#區(qū)域循環(huán)末阻力最大，對應的估算支架工作阻力超過了26000kN，占統(tǒng)計區(qū)域的其余31.5%。

按兩式統(tǒng)計可知，在來壓強烈時，均存在估算工作阻力超過所選支架實際工作阻力的情況。

3.2 安全閥開啟

第3次循環(huán)內(nèi)達到安全閥開啟值46MPa的較多，占整個來壓區(qū)域的比例達到了31.6%，另有3次達到了15.7%～21%，其它均在5%以下。同時通過計算其它非強烈來壓時的安全閥開啟值均在基本在5%～26%之間，處于較小的區(qū)域。

3.3 活柱下縮量統(tǒng)計

通過測量生產(chǎn)期間每刀煤間隔期間活柱下縮和停機期間活柱下縮，具體數(shù)據(jù)見表3、表4，表明工作面支架活柱下縮量小，基本上穩(wěn)定在20mm以下，帶壓停機時最大為26mm，活柱下縮量較小，從活柱下縮量可以看出所選支架能適應大采高工作面來壓強度。

表3 停機期間測活柱下縮量

表4 生產(chǎn)期間測活柱下縮(間隔一刀煤)

綜合來看，一般情況下，工作阻力均小于26000kN，但強烈來壓時，特別是來壓較快的周期內(nèi)，安全閥開啟率最大在15.7%～31.5%之間，有一定比例的支架超過設計工作阻力，但實測支架活柱下縮量不大，所選支架整體上能適應工作面來壓情況。

4 結(jié) 論

1)上灣煤礦8.8m超大采高綜采面初次來壓步距為45m，來壓持續(xù)5m，壓力超過安全閥開啟值，35#—80#支架來壓持續(xù)時間最長，壓力也最強。隨著煤層埋深變淺，周期來壓步距逐漸變大，由平均10.05m升至平均12m，后又升至平均16.4m。

2)不同階段周期來壓規(guī)律有一定連續(xù)性?？偟膩砜矗芷趤韷翰骄唷按蟆小苯惶嬉?guī)律逐漸顯現(xiàn)，來壓強度上也有“大—小”交替情況；大步距礦壓顯現(xiàn)集中，中部支架壓力明顯大于兩端支架，小步距礦壓呈機頭機尾兩段顯現(xiàn)，而機頭壓力一般大于機尾壓力。來壓步距與來壓強度之間無必然聯(lián)系。隨著推進速度的加快，來壓強度有減緩趨勢。

3)通過三個階段周期來壓規(guī)律對比，大采高工作面受埋深影響較大，埋深較深時，工作面周期來壓超過50MPa的次數(shù)多，而較淺談時，超過50MPa的次數(shù)少。

4)從實測結(jié)果可以看出，礦壓顯現(xiàn)劇烈時，確實存在估算工作阻力超過所選支架實際工作阻力的情況。但超出工作阻力的支架數(shù)量并不多。強烈來壓期間，安全閥開啟率也不高，而且從支架活柱下縮量來看，生產(chǎn)和停機期間活柱下縮量都不大。所以，所選支架能夠滿足實際生產(chǎn)需要。