8.8 m大采高綜采工作面礦壓規(guī)律

周海豐 黃慶享 賀雁鵬

摘 要：為了掌握神東礦區(qū)淺埋煤層8.8 m大采高綜采工作面礦壓規(guī)律和上覆巖層運動規(guī)律，指導液壓支架選型和頂板管控，以上灣煤礦12402綜采工作面為研究對象，采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測和數(shù)據(jù)分析的方法，總結(jié)了8.8 m大采高綜采工作面初采期間地表塌陷規(guī)律、基本頂初次來壓，以及周期來壓步距和來壓強度規(guī)律，分析了周期來壓規(guī)律與采高、埋深、基巖厚度等因素的關(guān)系，對回采期間支架工作阻力頻率進行分析;利用正態(tài)分布理論對支架選型和適應(yīng)性進行了評價。研究表明：神東礦區(qū)淺埋煤層8.8 m大采高綜采工作面上覆巖層呈現(xiàn)“O-X”破斷規(guī)律，初次來壓步距為60 m，周期來壓步距17～20.6 m，基本頂初次來壓和周期來壓步距與采高關(guān)系不大，周期來壓持續(xù)距離、來壓范圍和來壓期間的平均工作阻力隨著基巖厚度和埋深的增大而增大，與基巖厚度和埋深成正比，液壓支架工作阻力頻率符合正態(tài)分布，滿足使用要求。

關(guān)鍵詞：大采高;淺埋煤層;支架選型;正態(tài)分布

中圖分類號：TD 324

文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2020）06-0981-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0607開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Law of ground pressure in 8.8 m large mining

height fully on mechanized face

ZHOU Hai-feng1，2，HUANG Qing-xiang1，HE Yan-peng1

（1.College of Energy Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Shenhua Shendong Coal Group Co.，Ltd.，Shenmu 719315，China）

Abstract：In order to understand the law of ground pressure and the law of overlying strata movement in a fully mechanized mining face with large mining height of 8.8 m in shallow seam in Shendong mining area，and guide the selection of hydraulic support and roof control.The 12402 fully mechanized working face of Shangwan Coal Mine was taken as the research object.Using the methods of numerical simulation，field measurement and data analysis，the law of surface subsidence during the initial mining of the 8.8 m large mining height fully mechanized mining face，the law of first weighting and periodic weighting interval and the strength of the weighting are summarized of the main roof.The relationship between the law of periodic weighting and mining height，depth，the thickness of bedrock and other factors are analyzed，and we analyze the working resistance frequency of hydraulic support during mining，and use the theory of normal distribution to evaluate the support selection and adaptability.The results show：the overburden strata of 8.8 m large mining height fully mechanized working face in Shendong mining area presents “O-X” breaking law，the first weighting interval is 60 m，the periodic weighting interval is 17～20.6 m，the main roof first weighting and periodic weighting interval spacing have little relationship with mining height.The continuous distance of periodic weighting，weighting range and average working resistance during weighting increase with the increase of bedrock thickness and buried depth.The working resistance frequency of hydraulic support conforms to the normal distribution and meets the use requirements.

Key words：large mining height;shallow coal seam;support selection;normal distribution

0 引 言

神東基地作為國家14個大型煤炭基地之一，位于晉陜蒙3省交界地帶，煤儲量達到3 585.4億噸，以中厚-厚煤層為主，其中厚煤層所占比例達到51%.礦區(qū)煤層厚度8.0 m以上煤層地質(zhì)儲量約20億噸，主要分布在上灣、補連塔、西灣、大保當?shù)让旱V。特厚煤層采用綜采一次采全高，相比分層開采和綜放工藝具有回采效率高、工藝簡單等優(yōu)勢。而且神東公司做了大量的探索性工作，先后建成了世界上首個5.5，6.3，7.0，8.0 m大采高綜采工作面。8.0 m及以上特厚煤層的安全高效開采一直是沒有得到很好解決的世界性難題。

8.8 m大采高綜采工作面開采技術(shù)相比普通的大采高工作面，具有開采擾動范圍大、頂板支護難度大、動載礦壓明顯、易發(fā)生片幫冒頂?shù)入y題和挑戰(zhàn)，亟需研發(fā)新技術(shù)和裝備解決這些難題。很多專家學者針對神東礦區(qū)大采高綜采工作面礦壓規(guī)律進行了研究。許家林等開展了7.0 m特大采高工作面關(guān)鍵層運動的模擬實驗和礦壓實測，提出“懸臂梁-砌體梁”結(jié)構(gòu)交替造成大小周期來壓[1-5]。黃慶享對陜北地區(qū)5.0，6.0，7.0 m淺埋大采高工作面礦壓規(guī)律及頂板結(jié)構(gòu)進行了大量的實測分析及系統(tǒng)的理論研究，提出了“等效直接頂”的理論[6-10]。王國法等對金雞灘煤礦8.2 m超大采高工作面提出了超大采高液壓支架合理工作阻力確定的“雙因素”控制法[11-17]。楊俊哲認為8.0 m以上超大采高工作面周期來壓具有來壓步距短、持續(xù)時間長、來壓區(qū)域性明顯、動載礦壓強烈、來壓特征顯著、宏觀礦壓顯現(xiàn)強烈等特點，關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)單一、賦存層位低、易滑落失穩(wěn)、上覆頂板整體性破斷，是造成淺埋深超大采高工作面礦壓顯現(xiàn)強烈的主要原因[12]。國內(nèi)外學者主要針對7.0 m以上大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律做了很多研究[18-24]，但是從埋深、基巖厚度、周期來壓范圍和來壓期間平均工作阻力等角度對老頂初次來壓規(guī)律和周期來壓規(guī)律研究的較少[25-26]，利用液壓支架工作阻力頻率正太分布角度去研究支架選型和適應(yīng)性評價的也比較少，因此尚未完全掌握8.8 m大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

文中基于神東礦區(qū)上灣煤礦12402大采高綜采工作面回采實踐，通過工作面初采和正?；夭善陂g礦壓實測數(shù)據(jù)進行分析，揭示神東礦區(qū)淺埋煤層8.8 m大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為支架選型和頂板控制提供科學依據(jù)。

1 工作面概況

上灣煤礦12402綜采工作面為1-2煤四盤區(qū)的首采工作面，設(shè)計采高8.8 m，走向長度300 m，推進長度5 271.8 m.工作面上覆蓋層厚度為115～270 m;上覆松散層厚度為2～23 m，主要是土黃色中細粒風積砂;上覆基巖厚度為104～240 m.采用長壁后退式一次采全高全部垮落進行回采。

12402綜采工作面的偽頂為泥巖，抗壓強度約11.3～13.2 MPa，普氏系數(shù)約1.32，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13.3～15.2 MPa，普氏系數(shù)約1.35，屬堅硬類不穩(wěn)定型;老頂為灰白色粉砂巖，抗壓強度約14.5～36.6 MPa，普氏系數(shù)約2.32;直接底為黑灰色泥巖，抗壓強度約11.3～13.2 MPa，普氏系數(shù)約1.32.煤層頂?shù)装逄卣饕姳?.

采用西安煤礦機械有限公司制造的MG1100/3030-GWD型雙滾筒采煤機，生產(chǎn)能力為6 000 t/h，裝機功率3 030 kW.液壓支架選用ZY26000/40/88D型支架。支架中心距為2.4 m，最大工作阻力為26 000 kN。

12402綜采工作面的偽頂為泥巖，厚度為0.20～0.52 m，平均厚度為0.38 m，抗壓強度約11.3～13.2 MPa，普氏系數(shù)約1.32，屬不堅硬類不穩(wěn)定型;直接頂為灰白色細粒砂巖，厚度為2.10～8.07 m，平均厚度為6.54 m，抗壓強度約13.3～15.2 MPa，普氏系數(shù)約1.35，屬堅硬類不穩(wěn)定型;老頂為灰白色粉砂巖，厚度為5.68～20.34 m，平均厚度為8.89 m，抗壓強度約14.5～36.6 MPa，普氏系數(shù)約2.32;直接底為黑灰色泥巖，厚度為0.96～1.29 m，平均厚度為1.10 m，抗壓強度約11.3～13.2 MPa，普氏系數(shù)約1.32，煤層頂?shù)装逄卣饕姳?.

2 數(shù)值模擬分析

采用中國科學院力學研究所的GDEM數(shù)值軟件，對綜采工作面回采期間上覆巖層運動進行數(shù)值模擬分析。煤巖層力學參數(shù)詳見表2.

數(shù)值模擬計算結(jié)果如圖1所示，12402超大采高工作面推進到13 m左右時，直接頂初次垮落;推進到61 m時，老頂出現(xiàn)初次垮落。推進76 m時老頂?shù)谝淮沃芷诳迓?，動壓系?shù)達到1.25.隨著工作面繼續(xù)推進，基本頂進入周期垮落，周期垮落步距在14～18 m之間，來壓強度不大。

3 礦壓規(guī)律

3.1 初采期間礦壓規(guī)律

為了避免工作面初采期間大面積懸頂突然垮落產(chǎn)生颶風對人員和設(shè)備造成傷害，提前對切眼上方頂板進行深孔預裂爆破。工作面推進5 m后開始進行強制放頂，強放后，26#～57#，72#～79#支架，機頭、機尾端頭架處垮落不完全;推進至16 m時全部垮落，強放整體效果較好。

將12402工作面初采的100 m范圍內(nèi)支架工作阻力制作成如圖2所示礦壓規(guī)律圖。工作面推進至28 m時，20#～45#，90#～100#支架上方直接頂開始垮落，支架壓力上升到19 000 kN.推進至53 m時，30#～110#支架安全閥開啟數(shù)量較大，呈現(xiàn)大面積來壓、出現(xiàn)局部片幫導致支架梁端距增大、支架立柱下沉的現(xiàn)象。煤壁內(nèi)響聲大，支架最大壓力為24 000 kN，來壓持續(xù)7 m，來壓期間最大動載系數(shù)為1.45.老頂初次來壓步距為64.4 m（含切眼），老頂?shù)?次周期來壓垮落步距為71.4 m;數(shù)值模擬計算出的老頂初次垮落61 m，第1次周期垮落步距為74 m，兩者結(jié)果基本符合。

根據(jù)圖3統(tǒng)計分析可知，綜采工作面基本頂初次來壓步距總體上隨著采高的增大而增加。由于綜采工作面初采期間強制放頂效果、工作面寬度、以及埋深等因素的影響，5～8.8 m采高綜采工作面初次來壓步距大部分集中在45～71 m范圍內(nèi)。

3.2 地表沉陷情況

工作面老頂初次來壓垮落，推進6 m后，老頂開始迎來第1次周期來壓，18#～105#支架壓力上升到18 000 kN以上，35#～50#，80#～85#，90#～105#支架是壓力中心區(qū)，最大壓力達到24 000 kN，來壓持續(xù)5 m，第1次周期來壓步距為11 m.綜采工作面繼續(xù)推進6 m后，迎來第2次周期來壓，范圍擴大到15#～110#支架，壓力中心區(qū)隨之擴大到25#～105#，最大壓力達到26 000 kN，來壓持續(xù)10.5 m，第2次周期來壓步距為16.5 m.由此得出，綜采工作面初采期間，上覆巖層經(jīng)過“O-X”破斷后，開始逐漸形成有規(guī)律的懸臂梁破斷結(jié)構(gòu)。12402工作面推進至126 m時開始出現(xiàn)裂縫，裂縫較小;在隨后觀測中，裂縫也呈O型裂隙，裂隙基本符合“O-X”型變形規(guī)律，裂隙出現(xiàn)在最大超前工作面30 m處。

3.3 周期來壓規(guī)律

綜采工作面回采期間，每割一刀煤采集一次液壓支架工作阻力，制作成礦壓規(guī)律圖。實測統(tǒng)計分析得出：當工作面推進至400～500 m時，埋深234 m，基巖厚度220 m，周期來壓界限不明顯，來壓持續(xù)距離較長，40#～105#支架來壓距離7～14 m，壓力正常段較短，5～7 m.機頭和機尾段壓力正常，基本沒有明顯的周期來壓。20#～40#和80#～115#支架，周期來壓步距15～21 m，最大壓力為24 000 kN。40#～80#支架周期來壓界限不明顯，周期來壓步距為20～23 m，來壓持續(xù)距離達到17～20 m，支架最大壓力為27 000 kN.

12402綜采工作面基巖厚度為130～220 m.回采范圍內(nèi)，從切眼開始，基巖厚度逐漸變薄，對周期來壓規(guī)律影響很大。對綜采工作面從切眼回采到1 300 m范圍的周期來壓情況進行詳細觀測，如圖4～圖6所示。從松散層厚度、基巖厚度、埋深、壓力正常段距離、來壓持續(xù)距離、周期來壓步距、正常工作阻力、來壓期間平均工作阻力，以及來壓面積等方面進行了詳細統(tǒng)計和分析（見表3）。

從圖4可以看出，12402工作面回采期間，壓力正常段距離隨著基巖厚度的增大而減小，周期來壓持續(xù)距離隨著基巖厚度的增大而增大。因此，周期來壓步距隨著基巖厚度的增加而緩慢增加，但變化不大。

從圖5可以看出，12402工作面周期來壓期間，支架平均工作阻力隨著基巖厚度的增加而增大，與基巖厚度成正比。因此，基巖厚度是周期來壓工作阻力大小的關(guān)鍵因素。工作面周期來壓范圍隨著基巖厚度的增大而增大，與基巖厚度成正比。當基巖厚度在190左右時，周期來壓集中在綜采工作面25#～105#支架;當基巖厚度220 m左右時，周期來壓集中在綜采工作面20#～110#支架。

3.4 液壓支架適應(yīng)性評價

對12402工作面回采范圍液壓支架壓力數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。按照工作面上覆基巖厚度的不同，統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示。35#～105#支架的平均工作阻力達到19 000～20 000 kN，小于液壓支架額定工作阻力26 000 kN.因此，液壓支架滿足要求。

在工作面回采1 400 m范圍內(nèi)，對支架工作阻力頻率和不同埋深進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖7所示。工作阻力在16 965～19 792 kN的頻率在61.64%～72.40%，工作阻力在22 619～25 447 kN的頻率在1.84%～5.34%，工作阻力在25 447～28 274 kN的頻率在1.84%～5.10%，符合正態(tài)分布，因此，液壓支架額定工作阻力26 000 kN滿足要求。

4 結(jié) 論

1）現(xiàn)場實測12402大采高綜采工作面推進到64.4 m（含切眼）時老頂初次來壓，周期來壓步距11～17 m.采用GDEM模擬得出，工作面推進到61 m時老頂初次來壓，周期垮落步距14～18 m.這與實測結(jié)果基本一致。

2）基于現(xiàn)場詳細的礦壓數(shù)據(jù)實測統(tǒng)計分析，12402大采高綜采工作面回采期間，隨著基巖厚度的增大，周期來壓持續(xù)距離、來壓時刻的支架平均工作阻力及來壓范圍都有所增大。來壓時支架工作阻力符合正態(tài)分布，其阻力在25 447～28 274 kN的頻率在1.84%～5.10%.表明額定工作阻力26 000 kN滿足要求，支架選型合理，適應(yīng)性良好。

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