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深部大采高工作面矿压规律研究
深部大采高采场易导致周期来压剧烈，且来压持续较长、煤壁大范围片帮。深部大采高工作面开采过程中，扰动应力的传播类型与浅埋薄煤层差异性较大。由于埋深较大，大采高开采动态中煤岩应力与储能随时间与开采位置变化不断释放与转移，造成扰动应力覆盖范围广、围岩变形复杂，严重制约工作面安全生产。近年来，采场矿压、顶板控制的实践和理论研究都取得了很多重要的研究成果[1-3]；众多专家学者通过模拟试验、理论分析、现场实践等方法针对大采高工作面围岩、采场、支架开展了丰富的研究[4-13]。但随着煤层厚度、埋深不断增加，黄陵二号煤矿418工作面矿压显现剧烈，亟需研究分析采动压力分布规律。因此，深入系统地研究二号煤矿大采高工作面围岩结构特性及其演化特征和开采扰动特点造成的矿压规律，对现场安全开采、预知预判具有现实必要性。
以黄陵二号煤矿矿压防控为目标，基于开采条件调查，划分了顶板类型结构；通过力学模型建立，分析了顶板破断特点。通过分析总结工作面矿压规律，有针对性建立预知预判方法，以保障二号煤矿深部大采高综采工作面的安全开采。
1 围岩赋存特征
1.1 地质构造及围岩特性
黄陵二号煤矿位于黄陵矿区西北部，为一倾向北西-北西西的单斜构造，地层倾角一般为1°～5°。418工作面埋深在478～660 m之间，平均采高6.0 m，属于深部大采高工作面，地表为山顶区域。煤层上覆顶板依次为细砂岩、粉砂岩相互交替叠加，煤层赋存特征如图1所示。
图1 煤层柱状图
延安组呈一倾向北西西的单斜构造将整个井田一分为二，且中侏罗统延安组有4段组成，顶底均为不整合面。粉砂岩分选区性较好，属半坚硬类不易软化岩石，岩石普氏硬度f=6～7，覆岩特征如表1所示。
表1 煤层顶底板岩层特性
岩石名称厚度/m特性粉砂岩7.40～15.01深灰色,成分以石英为主,钙质胶结,具水平、波状层理,含星点云母片及植物化石碎屑,中夹薄层细粒砂岩,岩芯长柱状,RQD值约为73.2%细砂岩1.12～6.19浅灰色、灰黑色,成分以石英为主,泥质胶结,含星点云母片及暗色矿物,具波状层理,岩芯长柱状,RQD值约为56.1%泥岩0～4.69发育较多的水平层理、小型交错层理,以具有节理、裂隙和滑面等结构面为特点
1.2 开采工艺
418工作面煤层厚度较均匀，工作面每刀进尺约为900 mm，平均日推进12刀。该工作面采用智能机械化走向长壁后退式一次采全高采煤法，全部垮落法处理采空区顶板，采用ZY12000/28/63D掩护型液压支架。
2 大采高工作面来压分析
造成深部大采高工作面周期来压的因素十分复杂，主要影响因素为支承压力、采高、埋深、围岩特性。为此通过划分顶板类型、确定关键层和工作面实际矿压显现情况，确定影响工作面矿压分布规律。
2.1 关键层确定及顶板类型划分
关键层的厚度及垮落方式直接影响工作面矿压分布。其破断后先后呈“悬臂梁”“砌体梁”结构向采空区运动。关键层理论硬岩层判别公式如下：
(1)
式中：γ——体积力，kN/m3；
E——弹性模量，N/m2；
h——岩层厚度，m；
j——岩层编号。
通过分析围岩覆岩赋存情况，根据式(1)得出，418工作面上部14.15 m处粉砂岩、15.37 m处细砂岩、183.37 m处中砂岩为关键层。
普遍来说，大采高工作面直接顶厚度一般为煤层厚度的2～4倍，因此418直接顶厚度为煤层上部的细粒砂岩和粉砂岩的总和，形成复合顶板；煤层上部粉砂岩不但是直接顶的一部分，同时也为整个工作面提供力源。受埋深和岩层的稳定性影响，开采过程中采动煤岩应力与储能随时间与开采位置变化不断释放与转移，加剧围岩裂隙发育，更易造成煤壁片帮、周期来压剧烈等矿压显现。
2.2 工作面扰动应力分析
418工作面煤层上覆粉砂岩达到断裂极限时，以破断距l为步距，沿工作面推进方向重复出现弯曲-起裂-破裂-垮落-平衡的动态过程。由于粉砂岩属于近距离关键层，也是直接顶，导致工作面矿压显现剧烈。如：顶板切顶线位于煤壁上方，顶板离层范围大，煤壁发生剪切破坏导致片帮等，如图2所示。
图2 工作面矿压显现概况
统计工作面1个月的支架工作阻力监测仪的监测数据，418大采高工作面的顶板压力情况如图3所示。
图3 418工作面11月支架压力分布
2019年11月418工作面累计推进约135 m，持续推采过程中，工作面达到充分采动。由现场观测及图3可知：工作面整体压力较大，无明显的周期来压现象；整个工作面矿压分布具有分区现象，分为3部分：25～55号支架、75～100号支架、120～160号支架；压力均在35 MPa之上，且具有一定的持续性。随着采动影响的加剧，顶板压力范围增大。115～160号支架之间出现了周期性高压力现象。由工作面压力分布总体来看：机尾>中部>机头。
非周期来压期间，支架的平均工作阻力为6200 kN，是额定工作阻力的51.7%，支架具有一定的富余量；周期来压期间支架加权平均工作阻力为10250 kN，是额定工作阻力的85.4%，最大平均工作阻力为11312.8 kN，为额定工作阻力的94.2%，表明支架能够适应周期来压期间的顶板压力。
工作面上部细砂岩直接垮落，支架平均工作阻力27 MPa，支架的额定初撑力29.2 MPa，说明初撑力设计值能够防止直接顶离层。工作面基本顶初次来压步距为80 m，动载系数为1.95。11月工作面现场实测共计经历7次周期来压。受采动和顶板岩性的影响，粉砂岩在煤墙内部切断后，加剧细砂岩裂隙发育、破碎，形成来压及来压持续现象。来压和持续步距共同形成工作面的周期来压。当来压步距较长时，对应的持续步距较小。周期来压步距最长为45 m，最短为13.5 m，平均为22 m。根据418工作面实际显现情况，来压步距大于32 m时，工作面矿压显现剧烈。
2.3 巷道超前阻力分析
分别在进风巷和回风巷分别布置14、12个监测点，检测采动影响范围。
2.3.1 进风巷
在进风巷内超前60 m范围内，布置14个阻力测点，经分析整理绘制支护阻力与距工作面煤壁距离关系曲线如图4所示。
图4 超前支护阻力与距煤壁距离关系
观测结果显示：工作面来压期间，超前支护阻力的特征特性曲线斜率比平时要大，也就是超前支护阻力比非周期来压时阻力增长快。支承压力峰值在煤壁前方6～12 m，支承压力影响范围可达工作面前方30 m，表明深部大采高工作面具有较大的超前支承压力和超前支承压力影响范围。这也是巷道锚索不易退的原因之一。
2.3.2 回风巷
回风巷超前50 m范围内共布置12测点，点间距为4 m。
整理分析观测数据，发现支承压力峰值一般会出现在煤壁前方10～15 m处，影响范围最远可达工作面前方40 m。
3 现场作业要求
(1)工作面采用ZY12000/28/63D掩护型液压支架，具有较大的额定工作阻力和初撑力。适当采用带压移架工艺可大大改善煤壁和顶板的完整性。支架伸缩梁上的护帮板及时打出，紧贴煤壁，抑制煤壁发生垮落，从而可大大改善工作面围岩的稳定性。
(2)适当加快工作面推进速度，减少支承压力的作用时间和煤壁的损伤程度。要尽量使工作面推进速度保持稳定。结合实际，保持工作面日推进度9 m左右，停采检修期间要保证支架处于高位状态，护帮板贴紧煤墙，做好防范措施。
(3)采用支架工作阻力动态监测仪，系统全面实时地观测工作面矿压。对418工作面矿压进行实时在线监测，结合理论计算，预测预报顶板来压时间，并在工作面来压期间，采取措施确保支架稳定，使支架处于良好姿态、工作阻力处于高位状态。
4 现场实况
“支架-围岩”相互作用是个双馈动力学过程。良好的支架工况侧面反映出大采高支架必须具备高初撑力以控制顶板和煤壁双重剪切破坏，加大支架水平抗倾覆结构和承载能力，以适应顶板回转运动对支架稳定性影响。
黄陵二号煤矿418工作面应用国产液压支架，移架方式采用SAC电液阀控制，并与采煤机联动。在生产阶段，支架运动、护帮板的精准控制起到良好的作用；同时显示支架工作状态、故障情况。截取某次支架电液控显示图见图5。
煤机向机头运动，支架均满足初撑力，支架支撑状态良好；支架护帮均处于伸出状态且贴紧煤壁；支架推溜基本上呈一条直线。由此表明：支架工况良好，形成了良好的“顶板-支架-底板”的工作面结构；工作面整体呈“三平两直”。
提取某日0点班、4点班各1组支架压力数据，如图6所示。0点班共推采4.5 m(5刀)，此时支架最大压力为39.2 MPa、最小压力为25 MPa，工作面形成“顶板-支架-底板”稳定结构。4点班推采结束后，累计推采9.9 m(11刀)，工作面支架工况良好。受扰动围岩变化，支架均达到额定初撑力，工作面平均阻力为10125 kN，其中105～155号支架压力大于40 MPa。“支架-围岩”处于稳态结构。
图5 煤机动态下支架工况
图6 支架工作阻力变化特征
5 结论
(1)418工作面顶板由上覆细砂岩和粉砂岩组成。确定粉砂岩为关键层，其破断为工作面周期来压提供力源。
(2)周期来压步距最长为45 m，最短为13.5 m。支承压力峰值在8～13 m，影响范围约35 m。
(3)整个工作面矿压均在35 MPa之上，工作面压力分布具有分区现象(分为3部分)，机尾>中部>机头，且具有一定的持续性。保证支架始终满足初撑力，生产过程中采用带压拉架、加快推进速度、护帮板贴紧煤墙等措施可改善围岩稳定性。
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