李和平

（上社煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045100）

0 引言

煤炭行业的健康持续发展对我国工业及经济的可持续发展至关重要[1]。在未来一段时间内我国的能源仍将以煤炭为主[2-4]。煤炭行业发展的同时也带来了许多安全问题，其中矿井中液压支架的合理选型，对安全开采具有重要意义。一方面生产厂家不断提高液压支架的支护能力，从而达到有效减少煤壁片帮和局部冒顶现象的目的；另一方面，随着液压支架支护能力的提高，其重量和造价相应增加，生产过程中造成了许多新的问题。比如工作面搬家困难、顶板局部台阶下沉、局部冒顶、支架损坏等现象。因此，有必要对浅埋煤层大采高综采面矿压规律进行更加深入的研究，从而为大采高综采面安全高效生产提供有效指导。

采煤工艺中，通常将综采煤层厚度在3.5m以上的采煤方法称为大采高综采[5]。文献[6]首次对浅埋煤层进行了分类，提出了典型浅埋煤层和近浅埋煤层概念。为了分析浅埋煤层大采高综采面矿压显现规律，本文对5-7m采高范围的浅埋煤层大采高综采面显现规律进行研究分析。

1 典型浅埋煤层大采高矿压显现规律

1.1 工作面概况

典型浅埋煤层大采高工作面结构模型如图1所示，工作面在周期来压期间，在压实区关键块落入踩空区域后，离层关键块出现如图所示的大跨度伸出悬梁结构，即悬伸结构。本文通过对不同采高典型浅埋煤层大采高工作面进行对比分析，研究其矿压规律的变化情况。根据实际情况，分别对20601、15201、33206工作面分析其覆岩结构组成情况，得出三个工作面均为单一关键层结构，属于典型浅埋煤层工作面。工作面条具体件如下：20601、15201、33206工作面走向长度分别为2920m、2590m、2474m；煤层倾角都为1°-3°；平均煤层厚度分别为5.1m、5.8m、6.25m；工作面长度分别为300m、301m、303m；设计采高分别为 5.0m、5.3m、6.0m。

上述三种不同工作面所用液压支架的主要技术特征见表1。

图1 典型浅埋煤层大采高工作面结构模型

1.2 不同采高工作面的矿压规律分析

1）工作面初次来压规律分析。

各工作面初次来压时支架的平均工作阻力分别为9002kN、9910kN、10560kN；实时测量得其最大工作阻力分别为11033kN、11425kN、11725kN；工作面增载系数分别为1.1、1.1、1.25；根据测量数据显示，工作面初次来压步距分别为62.5m、63.5m、51.7m，来压时持续长度分别为4.0m、4.7m、5.8m。工作面初次来压具体特征见表2。

表1 工作面液压支架技术特征

表2 工作面初次来压特征表

通过表2数据统计可知，三个不同工作面初次来压步距主要集中在50-70m之间；工作面采高与来压步距之间没有规律显现。随着采高的增加，支架的平均工作阻力增大。

2）工作面周期来压分析。

表3分别对不同工作面支架来压与非来压时平均工作阻力的变化情况进行了统计。可知在同一工作面上来压与非来压时工作面支架工作阻力变化幅度在3-4MN范围内，变化幅度不大；随着采高的增加，非来压时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时，相应的开采空间增大，开采面覆岩活动面价加大，从而导致工作面支架阻力产生明显的变化。

图2主要分析了不同采高对应工作面动载系数的变化情况，从图可知，随着采高增加，动载系数明显减小，变化较为明显。在20601工作面时，采高为5.2m，平均动载系数为1.59；在15201工作面时，采高为5.5m，平均动载系数为1.41；在32206工作面时，采高为6m，平均动载系数为1.37。

表3 不同采高工作面周期来压特征表

图2 动载系数变化情况

通过上述分析可知，对于典型的浅埋煤层大采高综采面，周期来压步距分布在10-20m之间，初次来压步距在50-70m之间。从统计结果看，来压步距受采高的影响较小，其主要与工作面推进速度有关。在工作面推进过程中，同一工作面来压与非来压两种工况工作阻力变化不大。在周期来压时，随着采高增加，动载系数明显减小，支架工作阻力增大，变化较为明显。

2 近浅埋煤层大采高矿压显现规律

2.1 工作面概况

图3 近浅埋煤层大采高工作面结构模型

近浅埋煤层大采高工作面结构模型如图3所示，主要由主关键层、软弱夹层、亚关键层、直接顶等组成。工作面受周期来压时，亚关键层开始断裂，最终导致覆岩结构出现如图所示的“台阶岩梁”结构。本文分析中，选取三不同工作面30101、85201、22303工作面，其工作面长度分别为300m、295m、301m；走向推进长度分别为4252m、3160m、4966m；煤层平均厚度分别为 9.13m、6.5m、7.55m；采高分别为 5m、6.5m、6.8m。三个工作面支架的主要技术特征见表4。

2.2 不同采高工作面矿压规律的分析

1）工作面初次来压规律分析。工作面初次来压特征见表5，从表分析可知三个不同大采高工作面初次来压步距分布在60-75m之间，来压时的平均工作阻力随着采高的增加而增大，工作面采高与来压步距之间没有规律显现。

2）工作面周期来压分析。图4-图6所示为三个不同采高工作面中部支架压力变化曲线，从图可以看出，周期来压时来压步距和来压载荷存在着明显的周期变化。小来压时步距主要在14m左右，大来压时步距在25m左右，呈现出大小周期来压步距交替出现的情况。小来压步距约为大来压步距的1/2。

表4 工作面液压支架技术特征

表5 工作面初次来压特征表

图4 30101工作面中部压力变化曲线

图6 22303工作面中部压力变化曲线

图7 不同采高动载系数变化情况

图7 所示为上述不同采高情况下动载系数的变化情况，从图可以看出，同一采高时，动载系数出现高低交替变化，不同采高间动载系数不具有规律性；总体看动载系主要分布在1.4左右。

3 结语

本文分别通过对不同采高、不同煤层的大采高工作面进行研究分析，发现对于典型浅埋大采高工作面周期来压步距在10～20m之间，初次来压步距在50～70m之间，同一工作面来压与非来压两种工况工作阻力变化不大。在周期来压时，随着采高增加，动载系数明显减小，支架工作阻力增大。对于近浅埋煤层大采高工作面，呈现出大小周期来压步距交替出现的情况，小来压步距约为大来压步距的1/2，并且动载系数也出现高低交替变化，小来压时步距主要在14m左右，大来压时步距在25m左右，出现明显的矿压显现特点。