近年来，随着煤矿开采深度、强度的逐渐加大，开采条件也愈加复杂，复杂的矿压显现直接影响着矿井的生产。人们发现支架上承受的压力远远小于采动空间上覆岩层的自然重量，并根据矿山压力现象，形成了各种力学模型假说。库兹涅佐夫提出的铰接岩梁理论认为，工作面上覆岩层的破坏可分为垮落带和规则移动带，垮落带又分上下两部分，上部垮落时呈规则的排列，下部垮落时岩块杂乱无章。垮落带与规则移动带的差别在于水平方向上没有有规律的水平挤压力联系。规则移动带岩块间可以相互铰合，形成一条多环节的铰链，并规则地在采空区上方下沉。此外，此理论还对支架和围岩的相互作用做了较详细的分析，不仅解释了“拱”假说所能解释的矿压现象，而且还解释了采场周期的来压现象，并第一次提出了预计直接顶的公式，从控制顶板的角度揭示了支架载荷来源、顶板下沉量与顶板运动的关系。
钱鸣高院士于20世纪80年代初提出了砌体梁理论，该理论认为，基本顶是由多块断裂后，像“砌体”一样挤铰而成的结构组成，此外，该理论还给出了破断岩块的咬合方式及平衡条件，讨论了基本顶破断时在岩体中引起的扰动，解释了采场矿山压力的显现规律，为采场矿山压力的控制及支护设计提供了理论依据，对我国煤矿采场矿压理论研究与指导生产实践都起到了重要作用。
经过30多年发展，我国综放开采技术已达到世界领先水平，已成为我国厚煤层开采的主要方法，特别是近几年，综放工作面开采矿压研究取得了突破性的进展，但随着采高和顶煤厚度的增加，有别于常规厚度综放面的矿压规律仍需进一步探索。
准格尔煤田煤厚达14~28m，如何掌握和摸清首采工作面矿压规律是综放工作面开采的关键，同时也是支架选型、工作面保护煤柱设计的参考依据。本文通过对准格尔煤田大唐龙王沟煤矿61605综放工作面特厚煤层大采高综放工作面矿压特征的实测研究，结合临近矿井矿压显现规律，探索了准格尔煤田综放工作面矿压规律。
1 工作面概况
龙王沟井田位于内蒙古自治区鄂尔多斯市以东120km处，准格尔煤田中北部，行政区划属鄂尔多斯市准格尔旗薛家湾镇管辖。矿井设计生产能力10.0Mt/a。
61605工作面位于61盘区北翼东侧，距已回采61601面约300m，南接西翼开拓大巷，北至井田边界。相邻的东侧61603工作面和西侧61607工作面均未采动。工作面倾向长度255m，推采长度1156m，所采煤层为6层煤，6层煤为长焰煤，黑色，煤厚在21.2~25.5m，平均24.6m，为稳定煤层，煤层结构复杂；工作面区域煤层夹矸4~12层，单层夹矸厚度0.1~0.6m，夹矸总厚度0.97~4.0m，平均总厚度2.78m；夹矸岩性为炭质泥岩、泥岩及高岭土；煤层倾角~6.2°，平均1.5°；煤层普氏硬度系数f=0~1.0，夹矸普氏硬度系数f=2.0~3.0。
工作面采用双向割煤方式，一采一放多轮放煤工艺，采煤机截深1.0m，放煤步距1.0m，采煤机机采高度5.1m，放煤高度19.5m，采放比1:3.8（最大采放比1:4），为典型的准格尔煤田特厚煤层综放工作面。
工作面顶底板特征如表1所示，工作面支架参数如表2所示。
表1 工作面顶底板特征
表2 工作面支架参数
2 工作面矿压观测方案
工作面支架及两顺槽超前支架采用德国Marco电液控系统，可实现对每台支架立柱工作阻力实时在线监测，两顺槽内配备了KJ216B煤矿顶板动态监测系统，每100m安设1个GYW300型围岩传感器，锚杆、锚索应力传感器，能够实现实时在线监测，所有数据全部传输到地面调度室，可以实时掌握工作面及两顺槽压力变化情况，另外矿压技术团队现场核实数据参数，保证数据传输运行、准确。工作面矿压观测设备布置如图1所示。
图1 61605工作面矿压测点布置示意图
3 矿压显现特征
3.1工作面初次来压
工作面推进到37m时，直接顶初次垮落，直接顶垮落期间，顶板垮落伴有煤炮声，压力主要集中在工作面中部（55~85#支架），压力集中区最大压力46.6MPa，平均压力43.3MPa，持续时间4h，立柱平均下缩量260mm。
工作面平均推采至50m时，基本顶开始垮落。初次来压期间，煤壁片帮深度达1000mm，压力主要集中在43~110#支架，压力集中区最大压力48.5MPa，平均压力46MPa，安全阀开启达到85%，持续时间12h，压力影响范围7m。立柱平均下缩量500mm，最大下缩量1700mm（145mm/h）。
初采期间来压特征可分为以下4个阶段，工作面压力变化趋势如图2所示。
图2 初采期间工作面压力变化趋势图
第1阶段：直接顶垮落，工作面中部来压。推采至距切眼33m前，工作面压力基本无明显变化，平均31MPa；推采至距切眼33m时，中部50#~90#范围有来压预兆，压力逐渐升高，推采至距切眼37m时压力显现，压力集中区最大压力46.6MPa。
第2阶段：直接顶垮落充填采空区，工作面中部压力呈下降趋势。随着推采直接顶垮落充填采空区，推采至距切眼44m时，工作面中部压力平均36.6MPa，压力呈下降趋势。
第3阶段，基本顶垮落来压，分次垮落，先中部后向两边扩散。推采至距切眼48m时工作面中部呈上升趋势，推采至50m时，中部55#~65#支架压力显现；推采至55m时，工作面43#~110#支架压力显现，工作面矿压显现分布如图3所示。
图3 距切眼55m时工作面矿压显现分布图
第4阶段：基本顶板垮落充填采空区，工作面压力明显降低，多数支架初撑力不足30MPa。随着推采，基本顶垮落充填采空区，垮落后的基本顶承载工作面上覆岩层压力，工作面整体压力明显降低，支架平均压力20.8MPa。
3.2工作面周期来压
61605工作面周期来压步距为16~23m，最大压力47.6MPa，平均压力44MPa，工作面60%支架安全阀开启，立柱最大下缩860mm，来压持续范围4~10m。
经过对工作面30次周期来压进行分析总结，周期来压呈局部显现特征，受到工作面两端头保护煤柱影响，周期来压基本都是偏向于工作面中部。如工作面第6次周期来压，工作面65#~80#和84#~91#支架范围压力显现，平均压力45MPa。
可适度增加进尺速度对周期来压的影响数据，结合观察数据推断该工作面来压情况符合哪种矿压规律。
4 矿压显现原因及安全推采措施
4.1矿压显现原因
直接顶的稳定性直接影响着工作面安全生产，直接顶与其力学性质有关，也与基本顶运动对其影响有关；直接顶的完整程度取决于岩层的力学性质和直接顶岩层内层理和裂隙的发育情况。根据地质资料显示，61605工作面直接顶为泥岩，平均厚度为5m，普式硬度小于2；基本顶为粗砂岩，平均厚度为25m，普式硬度2~3；初采期间工作面基本顶悬顶且完成性较好，整体下沉，不易断裂，当基本顶发生断裂垮落时，随采动冒落的直接顶泥岩能完全充填采空区，基本顶难以形成承载结构，造成工作面来压较大。
4.2安全推采措施
（1）初采前对切眼顶板采取水压预裂措施，破坏顶板完整性，促使工作面基本顶及时垮落，减少采空区悬顶面积。
（2）根据矿压监测数据，做好来压预报工作，来压前做好设备检修，来压后调整劳动组织，保证工作面连续推采，日推采速度6~10m，及时将压力甩入采空区，缩短支架受压时间，确保工作面快速通过来压区。
5 结语
准格尔煤田特厚煤层综放工作面顶板完整性较好，整体下沉且悬顶，基本顶垮落后难以形成承载结构，初次来压期间矿压显现强烈。由于煤层较厚，平均煤厚达到20~28m，属于典型的特厚煤层，初次期间，受安装期间切眼支护影响，顶板难以垮落，初次前必须采取有效的顶板弱化措施，缓和顶板来压程度，以保证安全生产。准格尔煤田特厚煤层初采期间工作面回采出切眼后，应第一时间开始放煤，使直接顶及时垮落充填采空区，缓解基本顶来压显现强度。特厚煤层综放工作面初次来压期间，顶板来压呈分段显现，工作面中部先显现，然后向两边扩散，来压预兆明显，不会出现基本顶一次性整体垮落现象由于准格尔煤田特厚煤层煤层厚度及地质条件的特殊性，工作面回采期间不存在“工作面见方来压”现象。
作者：任国军 （鄂尔多斯市国源矿业开发有限责任公司)
本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第24期
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