李和平

（上社煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045100）

0 引言

煤炭行業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展對我國工業(yè)及經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[1]。在未來一段時間內(nèi)我國的能源仍將以煤炭為主[2-4]。煤炭行業(yè)發(fā)展的同時也帶來了許多安全問題，其中礦井中液壓支架的合理選型，對安全開采具有重要意義。一方面生產(chǎn)廠家不斷提高液壓支架的支護能力，從而達(dá)到有效減少煤壁片幫和局部冒頂現(xiàn)象的目的；另一方面，隨著液壓支架支護能力的提高，其重量和造價相應(yīng)增加，生產(chǎn)過程中造成了許多新的問題。比如工作面搬家困難、頂板局部臺階下沉、局部冒頂、支架損壞等現(xiàn)象。因此，有必要對淺埋煤層大采高綜采面礦壓規(guī)律進(jìn)行更加深入的研究，從而為大采高綜采面安全高效生產(chǎn)提供有效指導(dǎo)。

采煤工藝中，通常將綜采煤層厚度在3.5m以上的采煤方法稱為大采高綜采[5]。文獻(xiàn)[6]首次對淺埋煤層進(jìn)行了分類，提出了典型淺埋煤層和近淺埋煤層概念。為了分析淺埋煤層大采高綜采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，本文對5-7m采高范圍的淺埋煤層大采高綜采面顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究分析。

1 典型淺埋煤層大采高礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

1.1 工作面概況

典型淺埋煤層大采高工作面結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，工作面在周期來壓期間，在壓實區(qū)關(guān)鍵塊落入踩空區(qū)域后，離層關(guān)鍵塊出現(xiàn)如圖所示的大跨度伸出懸梁結(jié)構(gòu)，即懸伸結(jié)構(gòu)。本文通過對不同采高典型淺埋煤層大采高工作面進(jìn)行對比分析，研究其礦壓規(guī)律的變化情況。根據(jù)實際情況，分別對20601、15201、33206工作面分析其覆巖結(jié)構(gòu)組成情況，得出三個工作面均為單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，屬于典型淺埋煤層工作面。工作面條具體件如下：20601、15201、33206工作面走向長度分別為2920m、2590m、2474m；煤層傾角都為1°-3°；平均煤層厚度分別為5.1m、5.8m、6.25m；工作面長度分別為300m、301m、303m；設(shè)計采高分別為 5.0m、5.3m、6.0m。

上述三種不同工作面所用液壓支架的主要技術(shù)特征見表1。

圖1 典型淺埋煤層大采高工作面結(jié)構(gòu)模型

1.2 不同采高工作面的礦壓規(guī)律分析

1）工作面初次來壓規(guī)律分析。

各工作面初次來壓時支架的平均工作阻力分別為9002kN、9910kN、10560kN；實時測量得其最大工作阻力分別為11033kN、11425kN、11725kN；工作面增載系數(shù)分別為1.1、1.1、1.25；根據(jù)測量數(shù)據(jù)顯示，工作面初次來壓步距分別為62.5m、63.5m、51.7m，來壓時持續(xù)長度分別為4.0m、4.7m、5.8m。工作面初次來壓具體特征見表2。

表1 工作面液壓支架技術(shù)特征

表2 工作面初次來壓特征表

通過表2數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，三個不同工作面初次來壓步距主要集中在50-70m之間；工作面采高與來壓步距之間沒有規(guī)律顯現(xiàn)。隨著采高的增加，支架的平均工作阻力增大。

2）工作面周期來壓分析。

表3分別對不同工作面支架來壓與非來壓時平均工作阻力的變化情況進(jìn)行了統(tǒng)計?？芍谕还ぷ髅嫔蟻韷号c非來壓時工作面支架工作阻力變化幅度在3-4MN范圍內(nèi)，變化幅度不大；隨著采高的增加，非來壓時工作面支架的平均工作阻力增加。分析支架工作阻力增大的原因是由于采高增加時，相應(yīng)的開采空間增大，開采面覆巖活動面價加大，從而導(dǎo)致工作面支架阻力產(chǎn)生明顯的變化。

圖2主要分析了不同采高對應(yīng)工作面動載系數(shù)的變化情況，從圖可知，隨著采高增加，動載系數(shù)明顯減小，變化較為明顯。在20601工作面時，采高為5.2m，平均動載系數(shù)為1.59；在15201工作面時，采高為5.5m，平均動載系數(shù)為1.41；在32206工作面時，采高為6m，平均動載系數(shù)為1.37。

表3 不同采高工作面周期來壓特征表

圖2 動載系數(shù)變化情況

通過上述分析可知，對于典型的淺埋煤層大采高綜采面，周期來壓步距分布在10-20m之間，初次來壓步距在50-70m之間。從統(tǒng)計結(jié)果看，來壓步距受采高的影響較小，其主要與工作面推進(jìn)速度有關(guān)。在工作面推進(jìn)過程中，同一工作面來壓與非來壓兩種工況工作阻力變化不大。在周期來壓時，隨著采高增加，動載系數(shù)明顯減小，支架工作阻力增大，變化較為明顯。

2 近淺埋煤層大采高礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

2.1 工作面概況

圖3 近淺埋煤層大采高工作面結(jié)構(gòu)模型

近淺埋煤層大采高工作面結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，主要由主關(guān)鍵層、軟弱夾層、亞關(guān)鍵層、直接頂?shù)冉M成。工作面受周期來壓時，亞關(guān)鍵層開始斷裂，最終導(dǎo)致覆巖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)如圖所示的“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)。本文分析中，選取三不同工作面30101、85201、22303工作面，其工作面長度分別為300m、295m、301m；走向推進(jìn)長度分別為4252m、3160m、4966m；煤層平均厚度分別為 9.13m、6.5m、7.55m；采高分別為 5m、6.5m、6.8m。三個工作面支架的主要技術(shù)特征見表4。

2.2 不同采高工作面礦壓規(guī)律的分析

1）工作面初次來壓規(guī)律分析。工作面初次來壓特征見表5，從表分析可知三個不同大采高工作面初次來壓步距分布在60-75m之間，來壓時的平均工作阻力隨著采高的增加而增大，工作面采高與來壓步距之間沒有規(guī)律顯現(xiàn)。

2）工作面周期來壓分析。圖4-圖6所示為三個不同采高工作面中部支架壓力變化曲線，從圖可以看出，周期來壓時來壓步距和來壓載荷存在著明顯的周期變化。小來壓時步距主要在14m左右，大來壓時步距在25m左右，呈現(xiàn)出大小周期來壓步距交替出現(xiàn)的情況。小來壓步距約為大來壓步距的1/2。

表4 工作面液壓支架技術(shù)特征

表5 工作面初次來壓特征表

圖4 30101工作面中部壓力變化曲線

圖6 22303工作面中部壓力變化曲線

圖7 不同采高動載系數(shù)變化情況

圖7 所示為上述不同采高情況下動載系數(shù)的變化情況，從圖可以看出，同一采高時，動載系數(shù)出現(xiàn)高低交替變化，不同采高間動載系數(shù)不具有規(guī)律性；總體看動載系主要分布在1.4左右。

3 結(jié)語

本文分別通過對不同采高、不同煤層的大采高工作面進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)對于典型淺埋大采高工作面周期來壓步距在10～20m之間，初次來壓步距在50～70m之間，同一工作面來壓與非來壓兩種工況工作阻力變化不大。在周期來壓時，隨著采高增加，動載系數(shù)明顯減小，支架工作阻力增大。對于近淺埋煤層大采高工作面，呈現(xiàn)出大小周期來壓步距交替出現(xiàn)的情況，小來壓步距約為大來壓步距的1/2，并且動載系數(shù)也出現(xiàn)高低交替變化，小來壓時步距主要在14m左右，大來壓時步距在25m左右，出現(xiàn)明顯的礦壓顯現(xiàn)特點。