南屯煤矿倾斜综放采场矿压控制技术的研究

［摘要］对南屯煤矿93上01倾斜综放工作面进行常规矿压观测，布置了覆岩破坏测区和侧向支承压力测区，摸清了工作面顶板、顶煤的活动规律和矿压显现特征，评价了支架对工作面顶板运动和采煤方法的适应性，为采场项板管理提供了科学依据。

［关键词］倾斜综放；矿压观测；矿压显现；侧向支承压力

1矿井采场地质条件及生产技术条件

兖矿集团南屯煤矿93上01工作面煤层埋藏较深，一般为550～750m，平均为650m左右。该工作面开采的3上煤层平均厚5.7m，倾角较大，最大可达250°。根据九采区巷道布置设计，该工作面采用倾斜长壁仰斜综放开采。上下顺槽方位同为北偏东45°，巷道沿3上煤底板按中线掘进；巷道断面形状为半圆拱形，采用锚网加锚索的复合支护形式。切眼掘进与扩宽分两次进行，掘进时为上宽3.7m的工字钢梯形断面，扩宽后为上净宽7.3m的矩形断面，净高为2.8m。工作面上端头采用十字铰接顶梁，配合单体液压支护；下端头采用工字钢梁或棚梁支护，布设一路或两路点柱或柱棚，跨溜头前布设1对迈步柱棚。采煤工艺是初次放煤步距7～8m，循环放煤步距0.8m。

2采场顶板矿压显现特征

93上01综放面是南屯煤矿类似地质采矿条件新配套设备回采试验的第1个工作面，自工作面投产便对93上01综放面进行了连续的矿压观测。主要进行常规的矿压监测工作，共布设3个类型的测区：

(1)支架载荷测区。

(2)顶板(煤)破碎度测区。

(3)两顺槽超前压力观测。

2.1采场顶板(煤)活动规律

顶煤活动规律主要包括顶煤初次垮落步距和正常放煤阶段的垮落形式。

工作面开采初期，因推进距离较短，顶煤垮落比较困难。随工作面推进下位顶煤在工作面中部开始垮落(主要指锚固范围整体垮落)，随后向两端头垮落，工作面推至8.5m时，大部分顶煤已能放出，且能见到矸石，说明大部分顶煤已全部垮落。由此确定顶煤的初跨步距为8.5m。

综放工作面顶板组成部分仍为直接顶(Mz)和老顶(ME)两部分。

工作面的直接顶由3上煤上部的2个岩层，即平均2.59m的粉砂岩和10.47m的细砂岩构成，总厚度平均13.06m。老顶的实际厚度为6.75m，其中3号层强度较高的4.37m粉砂岩为主体岩层，4号层1.11m，3上A煤层和5号层1.27m泥岩为老顶的荷载。

可以利用实测支架阻力随推进步距关系曲线推断顶板(老顶)来压步距。工作面中间布置5条连续监测的压力线测点，从下至上支架号依次为15、35、55、85和105#。通过对压力曲线的分析，计算得出各个测线部位顶板初次来压步距和周期来压步距数值如下表1，表中初次来压步距均不含切眼宽度7.8m。
     表1

各支架部位实测顶板来压步距(m)

(1)15#支架代表的工作面下部，顶板初次来压步距28.9m；周压步距9.6～20m，离散性较大，平均周压步距13.8m。

(2)35#支架代表的工作面中部，项板初次来压步距31.3m；周压步距10.4～18.4m，离散性较大，平均周压步距13.7m。 85#支架代表的工作面中部，顶板初次来压步距32.1m周压步距10.4～16.8m，离散性较大，平均周压步距13.2m。

(3)105#支架代表的工作面上部，顶板初次来压步距36.5m；周压步距8.8～20.8m，离散性较大，平均周压步距14.3m。

(4)工作面各部位老顶初次来压步距28.9～36.5m，平均32.2m周期来压步距平均13.8m。总体而言，周期来压步距有较大的波动变化。

另外，据观测直接项的初次垮落步距约为15m。正常阶段，直接顶基本随采随冒，无悬顶。

2.2项板运动引起的矿压显现特征

2.2.1老顶初次来压

①就老顶初次来压前后支架的工作末阻力增加而言，来压前4个支架平均工作阻力为2618.12kN，来压时阻力为4838.54kN，初次来压平均动载系数为1.84，属初次来压明显的综放工作面。

②工作面各部位来压动载系数有明显的差异，中部85#支架动载系数最大为2.79；中部35#支架动载系数1.22为最小。

③初次来压前，支架静荷载2062.54～3389.63kN；中部35#支架的静荷载最大达3389.63kN：中部85#支架的静荷载最小为2062.54kN；动荷载4146.16～5746.23kN，中部85#支架最大为5746.23kN。

2.2.2基本顶周期来压

①就基本顶周期来压前后支架的工作末阻力增加而言，来压前4个支架平均工作阻力为3106.19kN，来压时阻力为4619.31kN，周期来压平均动载系数为1.49，属周期来压较明显的综放工作面。

②工作面上部、中部和下部来压动载系数1.41～1.57，动载均匀。

③来压前，各部位的静荷载3047.56～3218.19kN，来压时支架动荷载4347.06～4971.47kN，来压前后支架工作阻力分布比较均匀。

2.3支架工作阻力分析

支架初撑力是采场支护中的一个重要参数，经现场观测分析，造成93上01工作面支架初撑力低的原因主要是支架供液时间不足。据现场测试：一是存在支架前后柱不同时升起的现象，相当一部分支架在升架时只给前柱供液，这是后柱初撑力低的又一重要原因；二是个别支架存在串漏液、安全阀泄露锁不住立柱下腔液体的现象(密封坏)；三是顶板破碎区域由于顶板松散，支架较难达到初撑力。

工作面支架额定工作阻力为6500kN(40MPa)。93上01工作面末阻力统计结果分析如下：

(1)支架前柱的平均循环末阻力为20.64～23.44MPa，平均22.04MPa，占额定工作阻力(40MPa)的55.1%；

(2)支架后柱的平均循环末阻力为13.87～19.74MPa，平均17.60MPa，占额定工作阻力(40MPa)的44%；

(3)整架(4柱)平均循环末阻力为73～94.35MPa，平均82.88MPa，占额定工作阻力(160MPa)的51.8%。整架循环末阻力发挥程度仅为51.8%，平均工作阻力有较大的富余。

3倾向岩层运动与支承压力显现规律研究

对93上01仰斜综放开采条件下覆岩侧向运动规律、侧向煤体支承压力显现规律的研究，是确定深埋仰斜松软煤层采动空间覆岩结构稳定性的重要技术基础，研究可以得到矿山压力动态演化规律，进一步得到工作面开采顺序，区段或条带煤柱尺寸及顺槽支护决策的基础参数。

3.1测区布置

针对监测目的与要求，本次现场矿压监测共布置4种类型的测区，分述如下：

测区一：覆岩破坏测区。距切眼220、200m处，在工作面上、下顺槽侧帮煤体内，各布置1个测站，每个测站内布置可供观测顶板破坏情况的钻孔电视和顶板运移状况的深钻孔3个。

测区二：侧向支承压力测区。在九采中部皮带下山与工作面顺槽平面交汇点G1、G2，即在距切眼705、636m附近工作面上下顺槽侧帮煤体内，各布置1个测站，每个测站内布置可供观测侧向煤体支承压力分布情况的煤体应力钻孔10个，两巷共布置20个钻孔。

测区三：工作面矿压显现测区。在工作面内30、60、90#支架处，布置支架工作阻力监测站。

测区四：巷道矿压显现测区。在切眼前方100、170、270、400、500m处的上下顺槽内，布置巷道表面位移测站各5个。

3.2倾斜综放面顺槽深钻孔观测

在钻孔内进行了历时21a较为完整的深基点侧向岩层运动观测。93上01上顺槽钻孔深基点位移变化曲线如图1、图2。

图1上顺槽钻孔基点绝对位移

图2下顺槽钻孔基点绝对位移

分析上顺槽附近不同部位顶板基点运移特征，可得到下述基本认识：

(1)从基点位于工作面前方85.5m至工作面后方最远约31m过程中，巷道垂向正上方及工作面上山方向外侧11.4m和面内9.1m，煤层顶板上方23～33m顶板岩层，均没产生明显的垮落运动，只产生比较明显的断裂，且层位越低的基点出现的断裂次数越多。

(2)受巷道开挖和煤层倾角(约11°)的影响，巷道两侧高28、33m顶板基点均有向采空区边界运移的运动特点；巷道正上方23m顶板则有向前上方反向运移的特征。

(3)总体而言，岩层运动的位移总量较小。高度较小的下部岩层基点(B-1，高28m、B-3高23m)岩移绝对值大体相等(分别为23mm和-21mm)，而高度较大的岩层基点(B-2)，高33m岩移量急剧减少(-8mm)。

同上顺槽附近岩层基点分析方法一样，下顺槽附近不同部位顶板的基点运移有下述基本规律：

(1)巷道垂向正上方及工作面下山方向外侧11.3m和面内9.3m的顶板岩层，至工作面后方最远约14.5m，顶板岩层没有产生明显的垮落运动，只是产生比较明显的断裂，且层位越低的基点出现的断裂次数越多。

(2)同样受巷道开挖和煤层倾角(15°)的影响，巷道正上方23.4m的A-3基点和巷道侧下方高度31.2m的A-1基点运动量为“负”均有向远离采空区边界运移的特征，而巷道侧上方工作面内顶板27.9m高度的基点A-2运动量为“正”，有向下方即采空区边界方向运移的特点。

(3)总体而言，岩层运动的总量较小。同样，高度较小的下部基点(A-2，高27.9m、A-3，高23.4m)运移量绝对值大体相等(15mm，18mm)，而高度最大的基点(A-l，高28.2m)运移量最小(-8mm)。

3.3侧向支承压力显现规律

在煤体埋设钻孔应力计，应力计的读数是一种典型的矿压显现，根据煤体应力计测得的应力，可以大致推断93上01工作面开采引起的侧向支承压力分布情况。

通过对工作面上下部位煤体应力和破坏分析可知，93上01工作面倾角13～14°条件下侧向煤体的破坏和应力分布有下述基本特征：

(1)倾斜放项煤工作面两侧实体煤内均存在明显的塑性破坏区域。而上顺槽的煤体破坏区域稍大。实测上下侧向煤体破坏范围分别为6.15m和4.65m，两者相差1～2m。同样，采空区上端侧向起始弹性区范围大体相当，实测分别为上端7.15m，下端6.65m，上端比下端稍大0.5m。

(2)采空区两侧煤体支承压力分布基本规律相同，即弹性区内煤体持续增加并最终稳定。

(3)采空区两侧总体支承压力作用范围基本相当。上下方侧向支承压力峰值距巷道边界的距离分别为7.15m和6.65m。采空区两侧煤体应力集中程度(用集中系数表示)有差异。按同样的采空区距离计算，下顺槽侧向支承压力较大。代表上顺槽侧煤体支承压力的7.15m和8.35m深度煤体应力增量约15MPa(后方180～190m处)，而代表下顺槽侧煤体支承压力的6.65m深度煤体应力增量约22MPa(后方180m～190m处)，应力集中系数K3和K4分别为2.11和2.64，下部应力集中系数是上部的1.25倍。

4主要结论

(1)顶煤的初次跨落步距为8.5m，在正常放煤阶段，顶煤随放随冒。工作面各部位老顶初次来压步距为28.9～36.5m，平均为32.2m，基本周期来压步距平均为13.8m。工作面初次来压的侧向跨度为30.4m，周期来压的侧向跨度为15.2m。

(2)岩层向开挖边界方向，即下山方向运移。上下顺槽正上方部位的顶板，有反向运移的特征。上下顺槽下方顶板岩体呈相反的运动趋势。

(3)上、下顺槽煤体破坏范围分别约为6.15m和4.65m，两者相差1～2m；同样，采空区侧向起始弹性区范围大体相当，上端为7.15m，下端为6.65m。采空区两侧煤体支承压力分布规律基本相同，即弹性区内煤体持续增加并最终稳定。采空区上下部应力集中系数分别为2.11和2.64，下部应力集中系数是上部的1.25倍。