彭林軍，岳 寧，李 安，蔡逢華，李申龍，李明輝，閆國(guó)成，劉 歡

（1.大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622；2.陜西未來(lái)能源化工有限公司 金雞灘煤礦，陜西 榆林 719000）

0 引 言

大采高綜采技術(shù)在我國(guó)發(fā)展非常迅速，采高從4.5 m逐步發(fā)展到5.5、6.3、6.8、7、8 m，工作面單產(chǎn)也屢創(chuàng)新高，金雞灘煤礦2-2108工作面8.2 m大采高綜采工作面日產(chǎn)達(dá)到4.8萬(wàn)t。此次工作面采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題國(guó)內(nèi)外無(wú)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可借鑒，同時(shí)液壓支架等開(kāi)采設(shè)備大型化對(duì)圍巖控制帶來(lái)了亟待解決的新難題。我國(guó)專(zhuān)家學(xué)者在淺埋煤層大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和來(lái)壓機(jī)理等問(wèn)題做了大量研究和實(shí)踐。黃慶享等[1-2]對(duì)淺埋煤層大采高工作面礦壓及雙關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)分析研究，并提出了近淺埋煤層的概念，主要以雙關(guān)鍵層及其疊合作用導(dǎo)致的大小周期來(lái)壓為主的礦壓特征。張立輝等[3]對(duì)8 m大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及回采技術(shù)進(jìn)行了研究，得出隨著采高加大，工作面煤壁片幫現(xiàn)象加劇，礦壓顯現(xiàn)明顯。楊俊哲[4]對(duì)8.8 m大采高綜采工作面關(guān)鍵回采技術(shù)進(jìn)行了研究，總結(jié)出了超大采高礦壓規(guī)律，形成了雙支架垂直過(guò)渡工藝，提高了資源采出率。王海軍[5]研究了神東礦區(qū) 8 m 以上超大采高綜采工作面技術(shù)，分析了大采高綜采工作面主要綜采設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)與可行性。王家臣等[6]進(jìn)行了淺埋薄基巖高強(qiáng)度開(kāi)采工作面初次來(lái)壓基本頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究。提出了確定支架合理工作阻力的動(dòng)載荷法并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。于斌等[7]對(duì)特厚煤層綜放開(kāi)采大空間采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)及作用機(jī)制開(kāi)展研究，得出特厚煤層綜放開(kāi)采覆巖遠(yuǎn)近場(chǎng)關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)對(duì)采場(chǎng)礦壓產(chǎn)生重要影響。梁運(yùn)培等[8]研究了大采高綜采采場(chǎng)關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)型式及對(duì)工作面礦壓的影響，得出了大采高綜采采場(chǎng)關(guān)鍵層存在2種結(jié)構(gòu)形態(tài)和6種運(yùn)動(dòng)形式，并給出了運(yùn)動(dòng)式的形成條件。張杰等[9]對(duì)厚土層淺埋煤層覆巖運(yùn)動(dòng)破壞規(guī)律研究，提出了加強(qiáng)支護(hù)來(lái)預(yù)防頂板大面積跨落的方法。任艷芳等[10]研究了薄基巖淺埋深長(zhǎng)壁工作面覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征，得出了淺埋長(zhǎng)壁工作面圍巖應(yīng)力場(chǎng)中形成“承壓拱”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有承載作用。李正杰[11]對(duì)淺埋薄基巖綜采工作面覆巖破斷機(jī)理及與支架關(guān)系進(jìn)行研究，得出支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量不再是雙曲線關(guān)系，而是分成2個(gè)階段。宋振騏等[12]開(kāi)展了煤礦重大事故預(yù)測(cè)和控制的動(dòng)力信息基礎(chǔ)的研究，對(duì)傳遞巖梁周期裂斷步距與周期來(lái)壓步距差異分析及動(dòng)力信息基礎(chǔ)進(jìn)行了分析。盧國(guó)志等[13]對(duì)傳遞巖梁周期裂斷步距與周期來(lái)壓步距差異分析，建立了巖梁周期斷裂步距與周期來(lái)壓步距之間的力學(xué)與數(shù)學(xué)關(guān)系。王書(shū)文等[14]對(duì)采空區(qū)側(cè)向支承壓力演化及微震活動(dòng)全過(guò)程實(shí)測(cè)研究，得出采空區(qū)側(cè)向覆巖結(jié)構(gòu)構(gòu)成及活動(dòng)性與前方差異明顯，并導(dǎo)致了2個(gè)方向上的支承壓力特征差異。許永祥等[15]研究了特厚堅(jiān)硬煤層超大采高綜放開(kāi)采支架-圍巖結(jié)構(gòu)耦合關(guān)系，提出了強(qiáng)力放煤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化策略,并對(duì)破煤機(jī)理和效果進(jìn)行探討。候忠杰等[16-17]對(duì)淺埋煤層關(guān)鍵層研究，指出地表厚松散層淺埋煤層覆巖中2層堅(jiān)硬巖層均為關(guān)鍵層，并建立了淺埋煤層“短砌體梁”、“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)與砌體梁理論。徐剛等[18]研究了工作面上覆巖層蠕變活動(dòng)對(duì)支架工作阻力的影響，得出檢修期間和長(zhǎng)時(shí)間停產(chǎn)期間支架工作阻力與時(shí)間關(guān)系符合簡(jiǎn)化西原模型蠕變方程,且不同支架間擬合曲線具有較強(qiáng)的一致性。王國(guó)法等[19-20]主要對(duì)8.2 m超大采高綜采成套裝備研制及應(yīng)用研究，通過(guò)液壓支架與圍巖的耦合動(dòng)力學(xué)模型，確定了頂板巖層對(duì)液壓支架的沖擊動(dòng)載荷,煤壁的破壞深度與開(kāi)采高度、礦山壓力呈正相關(guān)性,與煤體強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)性。筆者以金雞灘煤礦2-2108大采高綜采工作面為研究對(duì)象，對(duì)8.2 m超大采高采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)特征及圍巖控制進(jìn)行了研究，研究成果將為榆神礦區(qū)類(lèi)似條件開(kāi)采礦壓控制提供一定科學(xué)依據(jù)。

1 12-2上108超大采高工作面概況

12-2上108工作面（以下簡(jiǎn)稱(chēng)108工作面）是金雞灘煤礦一盤(pán)區(qū)西南翼首采工作面。

現(xiàn)開(kāi)采2-2上煤層厚度5.5～8.4 m，平均6.65 m，傾角平均小于1°。煤層埋深為200～305 m，平均采深246 m，松散層厚度平均35 m，屬于近淺埋煤層。

工作面標(biāo)高+964.0～+980.5 m，平均+970.0 m。地面相對(duì)位置大部分被第四系風(fēng)積沙覆蓋，為典型的風(fēng)成沙丘及灘地地貌，無(wú)地表水系通過(guò)。

108工作面開(kāi)采傾斜長(zhǎng)度300 m，走向長(zhǎng)度5 527 m，工作面采用大采高一次采全高采煤工藝，設(shè)計(jì)最大采高為8.2 m。工作面液壓支架型號(hào)為ZY21000/38/82D型兩柱掩護(hù)式液壓支架，支架中心距為2.05 m，支護(hù)強(qiáng)度≥1.65 GPa，支架立柱三伸縮，采用三級(jí)護(hù)幫，單臺(tái)支架總質(zhì)量78.3 t，端頭支架過(guò)渡形式采用垂直過(guò)渡。

108工作面煤（巖）層賦存特征JYK1鉆孔柱狀圖（位于工作面中部），如圖1所示。JYK1鉆孔柱狀巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 JYK1鉆孔柱狀Fig.1 JYK1 drilling histogram

表1 JYK1鉆孔煤巖力學(xué)性質(zhì)

2 超大采高工作面來(lái)壓機(jī)理分析

2.1 基本頂斷裂失穩(wěn)理論分析

1）基本頂初次失穩(wěn)步距L0。在基本頂頂巖梁初次裂斷前夕，處于兩端嵌固狀態(tài)，巖梁開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的前提是在端部拉開(kāi)，其力學(xué)條件如式（1）所示:

（1）

式中：mE1為巖層（支托層）的厚度，m；mc為巖層隨動(dòng)層的厚度，m；[σt]為支托層的單向抗拉強(qiáng)度，GPa；γE1為巖層的容重，kN/m3。

當(dāng)mc=0，即單一巖層突變失穩(wěn)。顯然，基本頂巖梁的突變失穩(wěn)步距隨支托層厚度增加、支托層抗拉強(qiáng)度增大而增大，而隨動(dòng)層厚度、平均容重將導(dǎo)致突變失穩(wěn)步距向反方向變化之間的關(guān)系。

2）基本頂周期失穩(wěn)步距。支承條件發(fā)生了本質(zhì)變化，由原來(lái)的固支梁變化為簡(jiǎn)支梁。其力學(xué)模型如圖2所示。其力學(xué)條件如式（2）所示:

（2）

式中：LE1為巖梁的長(zhǎng)度，m；mE為巖梁的厚度，m;[σ]為巖梁抗拉強(qiáng)度。

顯然巖梁周期突變失穩(wěn)與上一次突變失穩(wěn)步距、巖梁的容重γE1成負(fù)相關(guān)，與巖梁的厚度ME、抗拉強(qiáng)度[σ]成正相關(guān)。

圖2 巖梁周期突變失穩(wěn)力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of periodic sudden instability of rock beam

2.2 大采高工作面等效直接頂結(jié)構(gòu)對(duì)初次來(lái)壓的影響

基于大采高工作面覆巖結(jié)構(gòu)特性，針對(duì)近淺埋煤層堅(jiān)硬頂板在端部人工切頂后形成懸臂梁，由外力合成產(chǎn)生重力加速度的等效理論，由于一次性開(kāi)采厚度大幅加大，原直接頂（地質(zhì)直接頂）遠(yuǎn)不能充填滿采空區(qū)，原下組基本頂分層垮落后，不能形成鉸接結(jié)構(gòu)，處于冒落狀態(tài)，等效于直接頂作用，如圖3所示。

圖3 等效直接頂結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Equivalent direct top structure model

按照直接頂充滿采空區(qū)，考慮不同等效直接頂?shù)乃槊浵禂?shù)，可求出大采高工作面等效直接頂最大厚度為：

（3）

式中：∑h為等效直接頂厚度，m；M為采高，m；Kp為等效直接頂碎脹系數(shù)，超大采高工作面一般可取1.3～1.35； 計(jì)算得出等效直接頂厚度約為采高的3倍。

2.3 超大采高工作面頂板巖梁結(jié)構(gòu)組成及來(lái)壓機(jī)理

通過(guò)式（1）、式（2）計(jì)算得出基本頂來(lái)壓步距，通過(guò)式（3）得出頂板巖梁結(jié)構(gòu)組成。采場(chǎng)頂板結(jié)構(gòu)及礦壓規(guī)律計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 JKY1鉆孔柱狀巖梁組成及來(lái)壓步距

通過(guò)理論計(jì)算得出，108工作面采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)有明顯影響的有2～3個(gè)關(guān)鍵巖梁。其中：下位巖梁是由厚19.55 m的粉細(xì)砂巖互層（主要以石英和泥質(zhì)膠結(jié)組成支托層，部分轉(zhuǎn)化為等效直接頂）和厚8.5 m的粉粒砂巖、厚2.4 m中粒砂巖、厚1.7 m粉粒砂巖、厚1.2 m中粒砂巖以及1.4 m粉粒砂巖的隨動(dòng)層共同組成（亞關(guān)鍵巖梁），總厚度為34.75 m，開(kāi)切眼采取強(qiáng)制放頂后，其初次突變失穩(wěn)（初次運(yùn)動(dòng)）步距預(yù)計(jì)約為106 m，周期突變失穩(wěn)（周期運(yùn)動(dòng)）步距約為21 m。上位巖梁是由22.45 m的中粒砂巖（支托層）和厚0.65 m的細(xì)粒砂巖、厚1.35 m 的中粒砂巖、厚5.65 m的粉粒砂巖、厚1.6 m的中粒砂巖、厚4.8 m的粉粒砂巖和厚6.65 m中粒砂巖共同組成隨動(dòng)層（主關(guān)鍵巖梁），其初次突變失穩(wěn)（初次運(yùn)動(dòng)）步距預(yù)計(jì)約為122 m，周期突變失穩(wěn)（周期運(yùn)動(dòng)）步距約為31 m。工作面覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)理論計(jì)算模型如圖4所示，頂板結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖5所示。

圖4 108工作面覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型Fig.4 Mechanical model of overlying rock structure at No.108 working face

圖5 108工作面覆巖頂板結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.5 Overlying roof structure and movement law of No.108 working face

由圖5可知，108工作面頂板屬于多巖梁有內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)結(jié)構(gòu)，研究分析認(rèn)為 8.2 m超大采高工作面礦壓顯現(xiàn)特征主要有：①直接頂厚度薄隨采隨落，不能充滿采空區(qū)；基本頂采取端部切頂形成“等效直接頂”，切頂懸臂梁“等效直接頂”厚度增高基本隨工作面垮落，減小了基本頂主關(guān)鍵巖梁回轉(zhuǎn)空間，迫使基本頂鉸接點(diǎn)上移，延緩了基本頂關(guān)鍵巖梁來(lái)壓強(qiáng)度。②基本頂巖梁屬于多巖梁結(jié)構(gòu)，主關(guān)鍵巖梁是上位巖梁來(lái)壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈?！暗刃е苯禹敗北憩F(xiàn)為雙關(guān)鍵巖梁結(jié)構(gòu)，下位關(guān)鍵巖梁斷裂導(dǎo)致小周期來(lái)壓，當(dāng)上下2組關(guān)鍵巖梁同時(shí)斷裂疊合作用導(dǎo)致大周期來(lái)壓，周期來(lái)壓呈現(xiàn)大小周期特征，一般大周期來(lái)壓約小周期來(lái)壓步距2倍左右。③108工作面頂板為多巖梁有內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)結(jié)構(gòu)模型，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)范圍在5.5 m左右，基本頂斷裂來(lái)壓時(shí)不會(huì)發(fā)生沿煤壁處折斷，基本頂能夠始終保持向煤壁前方傳遞力的聯(lián)系。針對(duì)108工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架承載特性，主要提高支架初撐力及三級(jí)護(hù)幫板控制措施，可有效避免超大采高煤壁大面積片幫事故的發(fā)生。

3 108工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

108工作面共安裝了24個(gè)測(cè)站，按上、中、下3個(gè)測(cè)區(qū)平均分布整個(gè)工作面。利用綜采支架在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)108工作面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，基本頂周期來(lái)壓規(guī)律連續(xù)觀測(cè)原始曲線如圖6所示，圖6a為工作面上部4號(hào)測(cè)區(qū)25號(hào)支架測(cè)站，圖6b為工作面中部13號(hào)測(cè)區(qū)88號(hào)支架測(cè)站，圖6c為工作面下部16號(hào)測(cè)區(qū)110號(hào)支架測(cè)站。

108工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律見(jiàn)表3。108工作面見(jiàn)方時(shí)支架工作阻力和綜合應(yīng)力分布如圖7所示。

表3 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

圖6 基本頂周期來(lái)壓原始曲線Fig.6 Original curve of main roof cgcle pressure

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，基本頂初次來(lái)壓步距為98～117 m，基本頂周期來(lái)壓呈現(xiàn)大小周期步距，大周期來(lái)壓步距在28.7 m，小周期來(lái)壓步距在15 m，小周期來(lái)壓支架工作阻力在30 GPa，大周期來(lái)壓支架工作阻力在46 GPa。周期來(lái)壓步距平均在22 m。工作面采空區(qū)頂板冒落充分，煤壁片幫較小，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖8所示。

圖7 工作面支架工作阻力分布Fig.7 Working pressure distribution of support in working face

圖8 現(xiàn)場(chǎng)工作面照片F(xiàn)ig.8 Photo of working face on site

4 采場(chǎng)圍巖控制措施

1）提高綜采支架的初撐力和工作阻力，要加強(qiáng)支架的支護(hù)質(zhì)量，尤其來(lái)壓前所有支架均達(dá)到額定初撐力和工作阻力，及時(shí)有效地控制頂板下沉，從而控制煤壁片幫。

2）超大采高工作面煤壁片幫與是否有效利用支架護(hù)幫板直接相關(guān)，8.2 m超大采高采用三級(jí)護(hù)幫板，可以大幅增加煤壁的側(cè)向約束力，使其緊靠煤壁，煤壁片幫程度則會(huì)減小很多。在現(xiàn)場(chǎng)回采過(guò)程中，移架速度往往低于采煤機(jī)的運(yùn)行速度，應(yīng)停機(jī)等待，支架在移拉架時(shí)要做到少降、快拉、快升、帶壓移架的原則，加大工作面端頭支護(hù)面積，以便端頭頂板與采面頂板鉸接完整和穩(wěn)定，防止臺(tái)階下沉。

3）合理控制采煤高度，隨著工作面采高的加大其煤壁片幫也就越嚴(yán)重，片幫嚴(yán)重會(huì)造成支架前梁和護(hù)幫板不能很好發(fā)揮作用。當(dāng)頂板較為破碎或過(guò)斷層時(shí)可以適當(dāng)降低采高減小煤壁片幫。

4）加快工作面推進(jìn)速度，保證圍巖整體穩(wěn)定。超大采高工作面采出空間大，煤體本身具有蠕變特性，煤體在應(yīng)力作用下塑性變形在逐漸增大，頂板下沉量隨頂板周期性垮落而增大，工作面會(huì)出現(xiàn)臺(tái)階下沉或嚴(yán)重片幫，所以適當(dāng)加快推進(jìn)速度有利于圍巖控制。

5 結(jié) 論

1）8.2 m超大采高工作面基本頂關(guān)鍵巖梁屬于多巖梁有內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)結(jié)構(gòu)，直接頂厚度薄隨采隨落，不能充滿采空區(qū)。端部切頂形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，基本頂下位巖梁支托層粉砂巖互層部分巖層轉(zhuǎn)化為等效直接頂，在采空區(qū)隨采隨冒，減小了基本頂主關(guān)鍵巖梁回轉(zhuǎn)空間，迫使基本頂鉸接點(diǎn)上移，延緩了基本頂關(guān)鍵巖梁來(lái)壓強(qiáng)度。

2）基本頂初次來(lái)壓步距達(dá)到98～117 m，來(lái)壓時(shí)支架工作阻力最大值達(dá)到47.1 MPa，工作面中部支架安全閥開(kāi)啟。基本頂周期來(lái)壓呈大小步距規(guī)律（大步距31 m，小步距15 m），大周期來(lái)壓支架工作阻力最大達(dá)到46 MPa，小周期來(lái)壓支架工作阻力最大達(dá)到30 MPa，周期來(lái)壓步距平均在22 m。理論預(yù)測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。

3）針對(duì)超大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架承載特性，在現(xiàn)場(chǎng)工程采用了合理控制采高、加快工作面推進(jìn)速度、提高支架初撐力及三級(jí)護(hù)幫板等控制措施，有效避免了近淺埋超大采高端面漏冒、臺(tái)階下沉和煤壁大面積片幫相關(guān)災(zāi)害的發(fā)生，大采高綜采支架工況適應(yīng)性好，滿足生產(chǎn)要求。