综放工作面矿压突变机理及应对措施

综放工作面矿压突变机理及应对措施
摘要：由于开采技术的落后，很多小煤矿采用“挖顶弃底”的方式对厚煤层
进行开采，故现有的小煤窑复采工作面顶煤多为小煤窑破坏区，呈煤柱和采空区
交错分布的状态。

因此，复采工作面回采过程中经常受到上分层遗留煤柱的影响。

目前，对于厚煤层上分层煤柱下复采工作面的研究已经取得了一些进展。

通过研
究厚煤层上分层煤柱下复采工作面的顶煤变形规律，得到了复采工作面覆岩破断
规律。

通过观测支架受力情况，得到了复采工作面在进煤柱与出煤柱时的矿压规
律特点。

我国学者对工作面在煤柱下方推进过程中支架阻力及顺槽支护方面的研
究也取得了一定的成果。

基于此，对综放工作面矿压突变机理及应对措施进行研究，以供参考。

关键词：矿压显现；应力集中；分析
引言
随着煤炭资源开采强度的不断加大，地质岩层运动带来众多因矿压显现剧烈
的安全问题。

研究煤矿煤层覆岩矿压显现的运动规律，分析液压支架的机制及条
件因素十分重要，初撑力和支架末阻力压力值大小变化对液压支架系统的工作状
况起到决定性作用，为煤矿安全高效生产带来一定的便利条件。

1工作面缩面期间矿压特征分析
缩面及回撤设备期间发生过严重冒顶事故。

工作面回采之前，矿井已有本采
区“刀把”型工作面的回采经验，与3313工作面地质生产条件相似，但在缩面
期间发生过较严重的冒顶事故。

该事故冒顶区域位于窄面保留液压支架前部的回
撤通道内，由于回撤通道与前方煤壁之间支护方案不合理，贯通后没有及时护顶
并对通道顶板进行补强支护，且顶板暴露时间长，回撤支架时的动载冲击使端面
煤矸发生冒落，最大冒高超过3m，连续冒顶范围6台支架，片帮情况也十分严重，必须引起高度重视。

2煤柱影响分析
工作面在煤柱下方推进时，煤柱宽度a随之不断减小，所以假设工作面在较
宽煤柱下推进过程中的应力变化规律包含了其较窄煤柱下推进时的变化规律。

当
煤柱宽度a大于周期来压步距L时，随着工作面推进，基本顶悬顶长度达到L后，基本顶发生断裂，煤柱上方总载荷G将无法保持恒定，此时煤柱剩余宽度为a-L。

之后工作面继续在宽度为a-L的煤柱下方推进，所以只需要研究工作面下穿宽度
为周期来压步距L的煤柱即可。

3支架工作阻力大数据分析
初撑力是由泵站将压力传递给支柱从而支撑顶板的主动力，是液压支架支撑
顶板的重要作用力。

若工作面液压支架初撑力较小时，岩层顶板下沉引起支柱压
缩而增阻，导致工作面上覆岩层离层，岩层顶板下沉量剧增，长期工作下支柱使
用年限减少，对支架造成不可逆的损坏。

若工作面液压支架初撑力较高时，支柱
伸缩距离减少，支架阻力与顶板压力容易取得相对平衡，能迅速控制顶板下沉产
生的增阻，很大程度上减小了工作面煤避片帮现象发生的概率。

由初撑力对顶板
稳定分析可知，初撑力的大小影响支架工作阻力。

支架循环末阻力压力较小主要
有以下原因：（1）顶板未下沉，支架压力几乎无变化；（2）初撑力较小，影响
末阻力压力大小；（3）支架异常，无法正确监测出末阻力的变化。

液压支架初
撑力较大时，支架阻力上升，直接顶下沉量减少，初撑力的大小影响直接顶的下
沉量，支架工作阻力受直接顶的影响，支架末阻力大小亦受初撑力的大小影响。

为了判断支架末阻力和初撑力对顶板稳定的影响，需要研究二者之间的关联性。

4工作面矿压观测结果及管理分析
4.1周期来压
当初次来压现象出现之后，受覆岩载荷的影响，当工作面推进到一定位置时，基本顶会出现周期来压情况。

该阶段的矿压监测工作开展需要以距离开切眼
58.0m位置为起始点，到距离开切眼94.54m位置结束，其间总计推进的距离数值
为36.54m，会经历59次来压循环，监测周期为5～6d。

通过对来压周期的观测，能够了解支护阻力随工作面推进的变化规律。

从具体监测统计数据中能够了解到，
工作面上部周期来压涉及到的步距数值较大，下部来压步距则相对较小，整个来
压持续的时间并不长，周期来压步距范围在3.78～11.97m之间，平均数值为
6.87m，平均动载系数大于1，具体数值为1.42。

从这里也能够看出，该综采工
作面的来压情况十分明显。

也正是由于来压数值处于变化状态，证明支架在工作
期间需要应对较大的压力波动，进一步增加了下部支架动载系数。

后续工作面推
进速度有所放缓，但顶板下沉时间延长，致使来压时动载系数越来越大。

4.2加强矿压观测及应力监测
矿压观测是掌握工作面来压特征并实施主动应对的最有效手段，本工作设计
从回撤前50m至回撤后推进30m范围内实施特殊的矿压观测方案，矿压观测范围
包括工作面、回撤通道及两巷超前段，在以上位置设置连续观测站，工作面测站
为每5台支架一处，回撤通道及巷道每10m一处，实施液压信息、应力值及表面
位移观测。

观测结果表明：工作面与回撤通道贯通前来压特征比较平稳，平均来
压周期保持在18.5m，平均来压距离为10m；自工作面揭露回撤通道开始，至液
压支架回撤结束，工作面压力水平明显升高，液压支架表显压力平均为28.8MPa，增幅为1.7倍，但来压周期不明显；回撤通道整体变形迅速，超前实施单体液压
支柱补强支护；贯通区域顶板破碎，下沉量迅速积累，巷道交叉处断面收缩明显，压力显现程度高。

4.3沿空留巷施工安全措施
１）柔模墙体浇模区域底板不得留有底煤，当浇模区域有底煤时，必须清底
煤至实底，确保柔模支护以实底基础浇筑，防止后期巷道底鼓量太大，影响留巷
断面及柔模质量。

２）柔模墙体浇筑施工时，做好加压、接顶工作，确保墙体接
顶严实支护有效。

３）沿空留巷至水仓口、断层附近应力集中区域和柔模墙体受
压明显区域，在巷道靠柔模墙侧打设木垛加强支护。

４）对于沿空留巷巷道巷旁
支护墙体出现片帮、劈裂现象，加密墙体最上部１排锚栓孔间排距，确保墙体侧
向约束力满足要求；将顶部第一排对拉锚栓更换为杆体直径２５ｍｍ的超强热处
理左旋无纵肋螺纹钢筋，确保墙体侧向约束力满足要求。

4.4支架初撑力
工作面顶板支护结构的安全性及稳定性直接受到支架初撑力大小的影响，若
该初撑力过小，则支护安全系数必然不高，如遇顶板来压过大，必将造成立柱下
降等安全事故。

准确确定支架初撑力，对于工作面顶板支护结构稳定十分关键。

根据工作面支架初撑力频度分布趋势图，位于工作面中部的支架初撑力通常较高，而机头机尾等处支架初撑力较低，整面工作阻力均值在额定初撑力中占比32.8%；工作面监测支架初撑力分别取1000kN以下、1000~1500kN、1500~2000kN、
2000kN以上的情形分别占比35%、28%、22%、15%。

造成工作面支架初撑力较低
的原因主要在于管路系统存在较大的压力损失，且支护系统初撑刚度低、泵站压
力小造成供液时间不足等。

工作面支架初撑力较低使得煤壁片帮范围扩大，务必
从供液时间和设备选型等方面确保支架初撑力，并加强支架检修管理。

结束语
我国井工煤矿在采掘接续及工作面布局设计时，常会受各类地质或生产因素
的影响，出现各种不规则的工作面形状，如“刀把”型工作面。

“刀把”型工作
面在常规推采时与正常工作面无异，难点在于缩面期间的回采工艺及顶板支护，
主要是因为缩面期间需要回撤部分液压支架及刮板输送机溜槽等设备，工艺较为
复杂。

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