赵东亮

（山西煤炭运销集团中岳煤业有限公司，山西 晋城048003）

工作面矿压显现规律是指导采煤工作面安全回采的重要依据。在采煤过程中，可以依据来压步距、来压强度、超前支承应力分布提前采取措施优化支护体系，确保工作面回采安全〔1－2〕。“三软”煤层综采工作面与普通工作面不同，主要特点是顶底板和煤层强度低，顶板承载能力弱，故“三软”煤层开采的关键是确保支护体系的合理性和有效性〔3－4〕。开采实践表明，“三软”煤层开采更易出现煤壁片帮、支架端头冒漏、回采巷道严重变形破坏等现象，这些现象一方面突出了“三软”煤层开采安全问题多，另一方面也凸显了亟需采取措施来进行“三软”煤层煤壁和顶板管理〔5〕。张村煤矿所采煤层为山西组二1煤层。该煤层顶底板岩性复杂，多为泥岩和炭质泥岩，煤层软弱，且遇扰动易片落，属于典型的“三软”煤层。该矿井21010工作面为二水平一采区首采工作面，为了更好地指导该工作面安全回采，决定对该工作面进行矿压显现实测。

1 工作面概况

21010工作面位于矿井二水平一采区北翼，是该采区首采工作面。工作面顶板标高－434m～－439m，地面标高32.5～34.7m。工作面南部为正在掘进的21020工作面皮带运输巷，东部为实体煤，北部为DF21断层影响区，西部为采区下山。工作面开采范围内二1煤层厚度3.4～5.2 m。煤层倾角12°～24°，平均为16.5°。煤层节理裂隙发育程度较高，含1～2层薄的夹矸，煤体易受矿压和采动扰动作用出现片落。工作面伪顶为厚0.5～0.75m的灰黑色泥岩，泥岩呈现碎块状，易在支架端头冒漏；直接顶为厚2.4～3.5m的灰黑色炭质泥岩～泥岩～砂质泥岩，直接顶岩层呈层状，裂隙发育高，随采随冒；基本顶为厚4.2～6.5m的砂质泥岩～中粒砂岩，砂质泥岩强度低，易冒落，中粒砂岩致密性较高，是工作面稳定岩体；直接底为厚1.2～2.4 m的泥岩～砂质泥岩；基本底为2.2～3.5m的砂质泥岩～中粒砂岩。根据工作面煤岩体概况可知，工作面属于“三软”煤层工作面。21010工作面设计走向长度为960 m，倾斜长度为129m，通风方式为“一进一回”式，采用综合机械化开采，顶板管理方式为全部垮落式。工作面采用86台ZY4000－17／37型支架进行采场支护，两巷采用U36型钢进行支护，棚间距为0.6m。

2 矿压观测方案设计

采用KJ127型矿压监测系统对工作面液压支架工作阻力进行实时记录。为充分了解21010工作面矿压显现规律，将工作面按采长均匀划分为上、中、下三个观测区间，在各区间均匀布置3条测线，3条测线对应的支架分别为7＃、20＃、30＃、40＃、50＃、60＃、70＃、80＃和86＃支 架。KJ127型矿压监测仪可以通过数据线直接将记录的支架载荷值传输到计算机系统中。本次观测共持续2个月。同时，为了提高矿压分析的准确性，每班安排专人对煤壁片帮、支架安全阀卸载、顶板垮落、端头冒顶等现象进行记录，并每班将观测结果上报至矿压分析组进行分析。21010工作面矿压监测系统测线布置见图1。

图1 21010工作面矿压监测系统布置示意

3 矿压观测数据分析

3.1 顶板来压特征分析

根据矿压监测所得数据和现场观测可知，工作面推出切眼后，液压支架平均工作阻力逐渐增高，直接顶随采随冒；当推至距离开切眼12～16m后，液压支架工作阻力基本稳定；随着工作面的进一步推进，距离开切眼20～24m时，液压支架平均工作阻力陡然增大，支架后方采空区上方顶板有明显的垮落声响，说明此时基本顶开始垮落；基本顶初次来压，初次来压步距为20～24m。基本顶来压期间，支架平均工作阻力为3242.5kN，为额定工作阻力的81.1%。随着工作面持续推进，支架平均工作阻力逐渐降低并逐渐趋稳。当距离开切眼30～32m时，支架平均工作阻力再次达到峰值。伴随着采空区上方顶板垮落，此时基本顶第一次周期来压，来压步距为8～10m，来压期间支架平均工作阻力为3068kN，为额定工作阻力的76.7%。随着工作面推进，在距离开切眼38～41m、48～51m、60～61m、69～73m等位置出现支架平均工作阻力峰值，说明在此期间出现多次周期性来压。来压步距分别为8～9m，10m、10～12m和9～12m。结合第一次周期来压数据可知，工作面周期来压步距为8～12m。工作面初次来压和周期来压期间顶板压力显现参数见表1。

表1 21010工作面顶板来压参数分析

由表1可知，21010工作面周期来压期间支架初撑力为2164.1kN，仅为额定初撑力的70%，初撑力较低；最大工作阻力为4023.2kN，超出额定工作阻力1%；平均工作阻力为3214.2kN，为额定工作阻力的80.4%，说明采场压力不大，支架支护状态较好，能够满足现场支护要求；平均动载系数为1.76，来压较平缓，符合“三软”煤层顶板垮落特征；来压持续时间较短，说明顶板强度较低，易于折断、垮落，不存在大面积悬顶来压问题。

21010工作面液压支架工作阻力分布见图2。由图2可知：工作面液压支架工作阻力基本呈正态分布。液压支架工作阻力主要分布在2000～3500kN范围内，约占总统计数的58.5%；分布在3500～4000kN范围内统计数约占总统计数的11.2%；小于2000kN的统计数约占总统计数的30.2%；超出4000kN的统计数约占1%。根据各工作阻力区间所占统计数的百分比可知，工作面液压支架初撑力普遍较低。分析原因认为一是供液系统的“跑、冒、滴、漏”，二是支架工未按照操作标准进行支架。由采场支护现状和支架工作阻力分布可知，采场能够得到有效支护，能够保证工作面安全回采。

图2 21010工作面液压支架工作阻力分布

3.2 工作面宏观观测

现场发现，工作面煤壁片帮和端头冒漏是矿压显现规律的直接表现形式。在非来压期间，工作面煤壁片帮率约占工作面倾斜长度的24%，片帮规格（深度×高度）平均为0.32m×1.2m，基本分布在工作面中部和上部区域，顶板冒漏现象较少，仅出现在超高割煤和拉架滞后时。来压期间，煤壁片帮程度明显加剧，片帮率约占工作面倾斜长度的46%，片帮规格（深度×高度）平均为0.87m×1.8m，端头顶板冒漏较普遍，但冒漏范围和程度较小。在来压期间，支架工作状态普遍较好，只有个别支架平衡千斤顶和立柱处安全阀出现卸压现象。支架立柱活柱下缩量观测结果表明，来压期间，支架立柱活柱下缩量普遍在11～14 mm范围内，约占总统计数的70%，超出14mm的约占统计数的9.6%，说明支架立柱活柱下缩量并不明显，支架支护状态较好。

4 结语

21010工作面为二水平一采区首采工作面，属于“三软”煤层综采工作面。通过现场实测研究，掌握了该工作面矿压显现特征。工作面初次来压步距和周期来压步距分别为20～24m和8～12m；来压强度分别为3242.5kN和3214.2kN，约占额定工作阻力的81.1%和80.4%。工作面支架工作阻力呈近似正态分布，主要分布在2000～3500kN范围内，约占总统计数的58.5%，超出额定工作阻力统计数较少，仅占1%。工作面煤壁片帮和端头顶板冒漏与顶板来压关系密切，来压期间煤壁片帮率高于非来压期间22%，端头顶板冒漏趋于频繁。鉴于21010工作面液压支架初撑力普遍较低，为提高初撑力，需提高供液系统的稳定和可靠性以及改善支架工操作等方面。

〔1〕常 卫.兴县矿区综采工作面的矿压观测〔J〕.山西焦煤科技，2006，（11）：16－20.

〔2〕王爱文，陈 蓥，张站涛.风水沟煤矿综采工作面矿压观测〔J〕.煤矿支护，2007，（4）：32－35.

〔3〕陈国忠.“三软”综采工作面片帮及冒顶的防治〔J〕.煤炭技术，2004，23（3）：42－44.

〔4〕孙平勇，李洪彪.上保护层开采卸压瓦斯治理技术研究〔J〕.江西煤炭科技，2014，（3）：77－80.

〔5〕赵 君.“三软”煤层综放工作面矿压显现特征分析〔J〕.煤矿开采，2010，15（5）：86－88.