450m超长综采面矿压显现规律研究—修改版

1450m超长综采面矿压显现规律研究王庆雄1，鞠金峰2（1、神东煤炭集团公司哈拉沟煤矿，陕西神木719315；2、中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，矿业工程学院，江苏徐州221116）摘要：基于哈拉沟煤矿12上101工作面矿压实测结果，对国内首个450m超长综采面矿压规律及其产生的机理进行了分析。结果表明：该工作面存在大小周期来压现象，两次小周期来压后间隔8m出现一次大周期来压，且大周期来压期间沿工作面倾向压力分布呈现“三峰值W型”特征，且压力峰值基本集中在50-80#、110-140#和170-230#支架区域。理论结合实践分析表明，亚关键层1和主关键层共同作用导致工作面呈现大小周期来压特征，即主关键层破断导致亚关键层1发生提前破断，进而造成了工作面来压步距和来压强度的大小交替变化。顶板来压时老顶分别在压力峰值区域发生破断，各破断岩块随着工作面推进沿工作面倾向发生回转下沉，导致其附近区域支架阻力增加，即呈现“三峰值W型”矿压特征。关键词：450m超长综采面；矿压规律；大小周期来压；倾向压力分布；关键层StudyonPressureLawoftheFirst450MetersLongFullyMechanizedMiningFaceinChinaWangQing-xiong1,JUJin-feng2（1.HaLagoucoalmineofShendonggroup,ShaanxiShenmu713915;2.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandMineSafety,SchoolofMines,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou,Jiangsu221116,China)Abstract:Basedonanalysisof12on101miningfacepracticesinHaLagoucoalmineofShendongminearea,pressurelawandmechanismofthelawwereanalyzedinthefirst450metersoverlongfullymechanizedminingfaceinChina.Theresultsshowthat:periodicpressurephenomenonexistsintheworkingfaceandtherewillbealargeperiodicpressureaftertwosmallperiodicpressureswiththeinterval8m.Thesizeofcycleexistsandthepressuredistributionalongthefacepresented“threepeakW-type”characteristics.Thedistributionsofpeakpressuresaremostlyin50-80#,110-140#and170-230#supportareas.Theoryandpracticeanalysisshowedthatinferiorkeystrata1andmainkeystratumbothleadtolargeandsmallperiodicpressurefeature.Brokenofthemainkeystratumleadstheearlybrokenofinferiorkeystratum1,whichcausesthealternationofintervalandintensity.Themainroofbreakinthepeakpressureregionandthebrokenrockblocksrotateandsinkalongthefacewiththeworkingfaceadvancing,whichleadtoanincreaseofsupportresistanceintheareanearbyandthusshowing“threepeakW-type”2characteristics.Keywords:450mlongfullymechanizedminingface;pressurelaw;largeandsmallperiodicpressure;pressuredistributionalongtheface;keystratum近年来，随着综采设备生产水平的不断发展，为提高综采工作面资源回收率，许多矿区尝试发展超长工作面，使得综采工作面布置长度不断增加。神东煤炭集团哈拉沟煤矿在矿区其他矿井发展超长工作面的基础上，开展了12上101综采工作面450m超长综采面开采试验。众多学者对超长综采面的覆岩结构、顶板管理以及矿压规律进行了大量的研究[1-7]，但相关研究主要围绕大采高、综放工作面400m以下长度工作面进行，这类研究成果对450m超长综采面是否适用却不得而知。12上101工作面开采条件下的矿压规律分析是12上101工作面开采迫切需要解决的实际问题。因此，很有必要对12上101工作面开采过程中的矿压规律进行实测研究，用以掌握煤层开采后覆岩破坏运动规律，指导支架合理工作阻力的设计和顶板的管理，并为后续类似工作面的开采提供基础资料和设计依据。1工作面开采条件哈拉沟煤矿12上101工作面位于哈拉沟井田12煤层一盘区，为12煤层首采工作面，工作面地表标高1250~1292.2m，煤层底板标高1195.6~1199.2m；上覆基岩厚度为30~70m，松散层厚度为0~40m。12上101工作面为刀把子面，其中12上101-1工作面长度为168.6m，推进长度为246.7m；12上101-2工作面长度为450m，推进长度为858m（其中12上101-2工作面是国内首个450m超长综采面，本文只针对12上101-2工作面进行研究，以下简称12上101工作面）。工作面煤层厚度平均为2.11m，设计采高为2.0m，煤层倾角1~3°。老顶为细砂岩，厚度0.55～9.39m，平均2.98m；直接顶为粉砂岩，厚度0.30～9.74m，平均3.79m。该工作面选用波兰TAGOR10660/11.3/22.3POZ二柱掩护式液压支架和平煤ZY9200/12.3/22.3D液压支架总计262台支架进行顶板支护。工作面巷道布置情况如图1所示。图112上101工作面巷道布置图Fig.112on101miningfacetunnellayoutchart2450m综采面矿压规律分析12上101综采面矿压观测分析表明：450m超长综采面存在大小周期来压现象，且周期来压期间沿工作面倾向压力分布呈现“三峰值W型”特征。2.1工作面存在大小周期来压特征矿压实测表明：工作面存在大小周期来压现象，且每间隔2个小周期来压发生一次大周期来压，大周期来压期间来压强度明显增加，顶板支护效果差，随采随冒，而且大3周期来压期间来压范围广。为进一步分析工作面大小周期来压特征，对工作面矿压特征数据进行统计分析表明：大周期来压步距较短，平均8m，即两次小周期来压后间隔8m出现一次大周期来压。大周期来压期间支架最大工作阻力9743kN，平均工作阻力6824kN，来压持续长度6m，各来压强度参数值明显大于小周期来压对应参数值，见表1。通过分析推进距为87~160m期间支架工作阻力曲面图（图2）发现，工作面来压呈现大小周期性变化，且大周期来压阶段支架工作阻力大、来压范围广即几乎分布在整个工作面，而小周期来压阶段支架工作阻力相对较小、来压范围小且来压持续长度短。表1大小周期来压特征统计表Table1Weighingcharacteristicstatisticaltableoflargeandsmallperiodicalpressure序号最大工作阻力/kN平均工作阻力/kN来压持续长度/m来压步距/m备注183665364612A286285577413A39842703767B486615216414A588086200514A69629646369B788905429413A885465364314A99743695568BB平均值9743682468A平均值864455284.313.3注：表中A表示小周期来压，B表示大周期来压。879297102107112117122127132137142147152157162167172177525456585105125145165185205225245工作面推进距/m支架架号4000-50005000-60006000-70007000-80008000-90009000-10000图212上101工作面支架工作阻力曲面图Fig2Surfacechartofsupportresistancein12on101workingface2.2工作面压力倾向分布呈现“三峰值W型”特征分析图2可以发现，大周期来压期间工作面压力倾向分布呈现“三峰值W型”特征，即工作面来压期间存在三个不同的压力峰值区域，压力峰值区域之间界限明显，且这三个区域基本同步来压。为进一步分析该矿压特征，选取推进距为136m时工作面对应支架工作阻力进行分析表明：大周期来压期间压力峰值基本集中在50-80#、110-140#和170-230#支架区域，工作面除两端头外其他区域普遍来压，且压力峰值点区域支架阻力明显大于其他区域，如图2和3所示。已有研究表明，一般长度工作面压力峰值普遍分布在工作面中部区域，而两端头压力通常较小。可见，450m超长工作面压力倾向分布特征明显有别于一般长度工作面，因此，很有必要对产生该矿压特征的机理进行分析研究。402000400060008000100000306090120150180210240270支架架号支架工作阻力/kN图3工作面压力倾向分布“三峰值W型”特征Fig3Pressuredistributionalongthefacepresented“threepeakW-type”characteristics3450m综采面矿压特征产生机理分析根据上述矿压规律分析可以看出，450m超长综采面矿压规律表现出了一定的特殊性。下面结合矿压实测及工作面基岩条件，分析上述矿压特征产生的机理。3.1大小周期来压现象产生机理工作面顶板周期来压是由于老顶岩层周期性破断失稳而引起的顶板来压现象。当覆岩中存在多层坚硬岩层时，对采场来压产生影响的可能不止是邻近煤层的第一层坚硬岩层，有时上覆第二层、甚至第三层坚硬岩层也成为老顶，它们的破断后会影响采场来压显现，从而导致采场周期来压步距并不是每次都相等，有时可能出现很大差别。因此，由于存在两层或两层以上老顶而导致采场周期来压步距呈现一大一小周期性变化和周期来压强度呈现一高一低周期性变化[9]。工作面内Q8钻孔覆岩组成如图4所示。采用KSPB软件对图4覆岩中关键层位置进行判别[8]，结果表明，覆岩中共有2层关键层，其中17.54m厚的中粒砂岩为主关键层。130.7流沙层号厚度/m埋深/m岩性关键层位置30.724.63红土35.3337.40细粒砂岩42.73413.40粉砂岩56.1350.856.93617.5474.4776.79含泥粉砂岩81.2681.9泥质粉砂岩83.1690.481-1煤83.64100.67炭质泥岩84.31117.07粉砂岩91.38细粒砂岩中粒砂岩121.811-2上煤93.19主关键层亚关键层1图4Q8钻孔柱状图Fig4BorehistogramofQ812上101工作面顶板较坚硬，已有研究结果表明[9]，当直接顶和基本顶都比较坚硬时，垮落带和断裂带高度之和可达到采高的18~28倍[10]，因此，距离煤层16.91m的主关键层破断后将进入断裂带之内，其破断回转运动将对工作面矿压产生影响。同时，由于工作面长度较大，推进速度较慢（正常情况下，日推进进尺为5~7m），使得垮落过程充分发展，主关键层破断后回转下沉时间更长，其破断影响工作面来压显现更明显。根据工作面来压步距计算公式，分别计算