吴建红

（山煤集团煤业管理有限公司晋北分公司，山西 大同 037100）

煤炭在我国未来经济发展的能源供给上仍占据着重要地位。我国已有的煤炭资源储量统计数据表明，厚煤层坚硬顶板煤炭资源储量约占全国储量的1/3； 其中坚硬顶板失稳破断产生强压事故发生比例较高，表现为大面积悬顶、不易垮落、垮落时来压大，易造成支架压死等矿压事故，极大地影响了矿井安全生产[1-3]。因此，掌握厚煤层坚硬顶板工作面矿压显现规律对于工作面安全回采有着重要的意义。

1 工程概况

1.1 工作面概况

韩家洼煤矿回采煤层为22 号煤，为黑色半亮型煤为主，暗煤次之。夹矸为灰色、块状，含高岭质、节理发育的泥岩。煤层厚度10.3～12.7 m，平均厚度11.5 m，煤层倾角2°～8°，煤层结构复杂。老顶为砂岩，厚度为4.2～26.9 m，整体性好，赋存稳定，强度高，属于坚硬顶板。22203 综放工作面的煤层顶底板岩性特征见表1。

表1 韩家洼煤矿22203 综放工作面煤层顶底板岩性特征

22203综放工作面采用低位放顶煤开采的采煤方法，推进方向为沿煤层底板由北向南推进，采用全部垮落法管理采空区顶板。综合考虑工作面设备及煤层赋存条件等，确定采高为3.0 m，放顶煤高度为8.5 m。

1.2 矿压显现特点

在坚硬顶板和厚煤层综放开采的双重作用下，韩家洼煤矿22 号煤层综放工作面矿压显现较普通工作面更加强烈（见图1），主要体现在：

图1 工作面两侧巷道围岩破坏

（1）由于顶板坚硬，容易形成大面积悬顶，来压时矿压较大；

（2）由于开采高度较大，顶板下沉空间较大，顶板垮落时容易对支架造成冲击；

（3）由于厚煤层综放作业时间较长，导致顶板对煤壁作用压力时间增长，容易导致大面积片帮。

（4）受工作面强烈的超前支承压力影响，在超前工作面前方约100 m 范围内两侧顺槽巷道矿压显现剧烈，巷道变形量大，锚杆(索)有破断现象发生。

上述强烈的矿压显现已严重影响了韩家洼煤矿的安全、高效生产。因此，迫切需要结合韩家洼煤矿22 号煤的具体工程地质条件与生产技术条件，深入研究厚煤层综放工作面坚硬顶板破断运动规律与矿压显现特征，为工作面安全高效开采提供理论依据和技术指导。

2 矿压监测设备与监测方案设计

在工作面支架上安装20 部GPD60 矿用本安型压力传感器，工作面两端各安装1 部，中部均匀布置18 部，数据传输到KJ515 矿用本安型分站，分站再通过线路将数据传输到地面服务器，每天24 小时连续记录支架压力变化，进而判断顶板来压情况。工作面开始回采后，定期统计各项观测数据，直接顶初次垮落后，每班对各项矿压数据统计一次，直至老顶初次来压结束，之后每天观测一次。测区布置及仪器布设见图2。

图2 工作面矿压监测测站和仪器布置

3 顶板运动规律

3.1 直接顶厚度

式中：h为采高；mz为直接顶厚度；KA为岩梁触矸处已冒落岩层的碎胀系数；SA为岩梁触矸处沉降值[4]。

由于22203 综放工作面设计采高为3.0 m，因此 把h=3.0 m，SA=0.48 ～0.84h，KA=1.25 ～1.35/1.3 代入上式中，求得直接顶平均厚为mz=3.4 m。结合工作面岩层情况判定，直接顶由22 号煤顶部细砂岩组成，平均厚度约3 m。

3.2 直接顶分类

为了确定顶板岩层的具体属性，将直接顶分为1～4 类，其中D为直接顶的强度指标[4]。

经计算D=10σcC1C2=10×70×0.47×0.38

=125.02

式中：σc为岩石单向抗压强度，取70 MPa；C1为岩石节理裂隙间距，取经验值0.47；C2为岩石完整性系数，取经验值0.38；直接顶初次垮落步距约35 m，因此可确定22203 工作面顶板为坚硬顶板。

表2 直接顶分类指标

3.3 老顶分类

老顶的分级主要根据直接顶厚度与采高的比值N=∑hz/h，再参照老顶初次垮落步距L0，将老顶分为4 级，见表3[4]。式中：N为直接顶与采高的比值； ∑hz为直接顶累计厚度，取∑hz=3.0 m；h为煤层采高，取3.0 m；L0为老顶初次来压步距，取70 m。

代入公式得N=1，由于L0=70 m，参照表3可知22203 工作面老顶级别为Ⅲ级，老顶来压显现强烈。

表3 老顶分级

3.4 来压步距

22203综放工作面液压支架型号为ZF7500/18/35，取液压支架工作阻力超过最大工作阻力的85%即6 375 kN时，可以判断为顶板来压。实测2个支架循环末工作阻力随工作面推进的变化曲线见图3，各个测站部位顶板的初次来压和周期来压步距见表4。从图表中可以发现：工作面30#支架，周期来压步距平均为33.5 m； 工作面50#支架，周期来压步距平均为34.5 m。工作面各部位老顶初次来压步距平均70 m； 各部位周期来压步距30～40 m，平均34 m。

图3 工作面支架循环末阻力随工作面推进的变化情况

表4 各个测站部位顶板的初次来压和周期来压步距

4 矿压显现规律

4.1 支架阻力

表5为工作面不同部位顶板来压对支架阻力影响，平均动载系数为1.2，属于来压较明显的综放工作面。

表5 支架实测顶板来压时支架工作阻力变化

4.2 支架初撑力

支架循环初撑力统计结果见表6：30#与50#的支架初撑力分别为额定初撑力(6 185 kN)的98%和95%，工作面初撑力利用率较高。30#、50#的支架初撑力在5 300～7 500 kN区间分别占89.6%和85.7%，支架初撑力分布频率主要集中在此区间，而支架额定初撑力为6 185 kN，说明大部分液压支架初撑力大于额定初撑力。但是，还有一小部分支架的初撑力小于2 300 kN，若初撑力较小将对控制早期顶板下沉不利，不利于保持顶煤和直接顶的完整性，不利于工作面支架安全维护，应予以重视，以保证支架初撑力达到合格值。

表6 支架初撑力统计

4.3 支架循环末阻力

支架循环末阻力统计结果见表7：30#与50#的支架循环末阻力平均值分别为额定工作阻力(7 500 kN)的97.4%和96.6%，工作面矿压显现明显。30#、50#的支架循环末阻力在6 000～7 500 kN区间分别占92.4%和88.9%，支架循环末阻力主要集中在此区间，说明支架工作阻力得到了充分利用，支架利用率较高，支架的选型比较合理。

表7 支架循环末阻力统计

5 结语

针对韩家洼煤矿22 号煤22203工作面坚硬顶板矿压显现异常等问题，本文采用现场实测方法，对22203 工作面回采过程中的矿压进行了监测，分析结果可知：

1）22203综放工作面煤层顶板属坚硬顶板，老顶级别为Ⅲ级老顶，来压显现强烈。老顶初次来压步距平均70 m，工作面各部位来压时间和来压步距均不同；老顶周期来压步距平均34 m。

2）综放工作面的支架初撑力在5 300 ～7 500 kN区间分别占89.6%和85.7%，支架初撑力较高，工作面支护质量管理较好；支架末阻力在6 000～7 500 kN区间分别占92.4%和88.9%，支架工作阻力较大，支架利用率较高；工作面周期来压的平均动载系数为1.2，属于来压较明显的综放工作面。