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[摘 要]本文通过对东林煤矿2604三段单体液压支柱工作面进行矿压观测及分析，揭示了同等地质条件和支护工艺下工作面矿压显现规律。
[关键词]单体液压支柱；支承压力；矿压分布规律
中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）20-011-02
1概况
2604三段工作面位于东林煤矿南翼二水平四采区，风巷标高为±0m，机巷标高为-50m。其工作面走向500，倾斜长110m～130m。煤层倾角22°，平均煤厚0.90m，工作面回采过程中长有断层、裂隙、破碎带出现，该工作面直接顶为钙质页岩，老顶岩层为灰岩、钙质页岩，底板岩层为铝土页岩。
该工作面采用走向长壁采煤法，放炮落煤。以往开采类似工作面，一般选用HIJA-1700型急增阻金属摩擦支柱按走棚子配以木制顶梁支护方式，支护密度为2.64根/m2。为了推行支护改革，该工作面选用外注式单体液压支柱配套使用HDJA-800型金属绞接顶梁，按齐梁正悬臂式支护，支护密度1.56根/m2。为了研究单体液压支柱支护倾斜工作面矿压显现规律，分别在工作面机巷、风巷、工作面中部与下部布置测区，安设动态仪、压力基点，经过了近8个月的观测，共收集各类数据1万余组，并据此作出如下分析。
2工作面矿压显现规律
2604三段工作面成功的推广使用了单体液压支柱，单体液压支柱的使用提高了工作面支护刚度与支护强度，起到更好的控制顶板目的，本文主要就工作面矿压规律、顶板岩层活动规律、动态表现进行分析研究。
2.1来压规律特征
在煤体、支柱、老塘煤、顶底板这个支承系统中，由于单体液压支柱提高了支护强度，直接顶为I类不稳定顶板很易随回柱冒落，冒落矸石很快充实采空区，限制直接顶进一步冒落，同时冒落矸石起着支承老顶岩梁压力，工作面底板强度较大没有碎矸与浮煤，单体支柱钻底量少。这样在支承系统刚度提高的情况下，限制老顶离层和岩梁断裂，造成老顶来压显现很明显。但是工作面也有大的来压显现，这种来压是老顶岩梁断裂来压与顶板破碎、地质构造带所引起的局部来压相迭加而成。在进行单体液压支柱工作面顶板动态预报期间呈多次发现这种情况。
2.2顶板动态分布规律
为了揭示采场顶板活动规律，在工作面中部、下部设置2条测线，经过观测得知，位于二控顶排顶板下沉量一般较小，平均为10mm，位于四控顶排顶板下沉量平均为25mm。工作面中部顶板下沉速度一般比下部顶板下沉速度小，这是由于中部顶板有利于维护顶板完整性，对顶板离层控制好，支柱工作阻力一般较大。如表1中列出了各控顶排顶板在无来压情 况下最大值与最小值，从表中看出距煤壁2.4m处顶板最大下沉量为63mm，平均下沉量22.9mm，但摩擦支柱支护时在顶板来压时顶板下沉量最大值为131mm，平均值为60mm，相比之下说明单体液压支柱支护更有利于控制顶板下沉，限制顶板过早离层，提高工作面支承强度。
表1 工作面顶板下沉量统计表
中部 21 2 98 36 9 22.3 50 13 33.1
下部 23 4 10 40 11 24.9 63 23 37.4
平均值 9.9 23.6 35.3
22.9
2.3超前支承压力分布规律
为了找出采场超前支承压分布规律，分别在工作面风巷与机巷设置基点、动态仪与压力盒进行测试。经观测分析工作面超前支承压力影響范围为20m，峰值影响范围5-15m。该工作面岩梁断裂步距较小，从而造成工作面周期来压显现不很明显，在内应力场内煤体被压疏。承载能力降低使超前支承压力向前传递，同时在内应力场内的瓦斯得到释放。工作面前方5～20m为工作面超前外应力场，在外应力场5～15m范围内煤层压力很大，在此范围内压力显现明显，是应力集中带，巷道变形显著，若在此范围掘巷有发生冲击地压的可能。
回采工作面风巷，由于上部为采空区，风巷在回采受二次采动影响变形不大，观测资料分析发现工作面前方10m范围巷道有一定压力显现，但压力峰值不大，只要采取一定护巷措施就能确保回采工作安全进行。
2.3倾斜支承压力分布规律
倾斜支承压力对回采工作面影响是一个不可忽略的因素，2604三段工作面要受已回采的2604三段形成的倾斜支承压力影响，相应正在布置的2604四段也要受2604三段回采形成的倾斜支承压力影响，了解倾斜支承压力影响分布规律有助选择风巷布置，沿空护掘风巷，煤柱留设大小提供参数。据观测分析表明，采空区以下5m范围为支承卸压区，在此范围内煤体压疏，顶板破碎，位于此区内顶板破碎度为30～40%，顶板变形量，支承压力小于围岩原始应力。采空区下方倾斜5～16m范围内为支承压力影响区，在该区内支承压力高于围岩原始应力，高峰应力值倾斜在10m左右，垂深为4m，此范围煤体被压实，煤体为弹性状态，积聚变形能和瓦斯压力，倾斜支承压力影响垂直深度为6m左右，实行无煤柱回采工艺，对沿空护掘巷时，巷道布置均不能选择在倾斜支承压力影响区之内，可选择在支承卸压区或支承压力影响区之外。
3工作面顶板分类研究
确定工作面顶板类型是顶板控制方法，支护形式选择的重要依据，直接顶和老顶回采工作面支柱形式、支护强度、控顶区支护方式和采空区处理方法均有影响。一般说来直接顶稳定性对柱型选择和控顶支护方式选择起主导作用，而老顶来压强度则对支护强度，切顶线和采空区处理措施起主导作用。依据国内分类指标按岩层稳定性不同将直接顶分为四类，按直接顶厚度和采高之比值，老顶来压显现程度不同老顶分为四级。
3.1.1直接顶分类
直接顶分类是依据直接顶单向抗压强度，节理裂隙影响系数，分层厚度影响系数，直接顶初次跨塌步距等定量指标来划分直接顶分别。 据2604三段工作面直接顶取样切割成标准试件，经干燥后，在材料试验机上进单向抗压试验，岩层抗压试验结果如表2。
表2 钙页岩單向抗压试验强度
试件编号 1 2 3 4 5 6 7 8
载KV荷 58 60 33.6 81.6 70 102.6 138 92
加载速度N/S 15 15 15 15 15 15 15 15
强度Kg/cm 255.10 312.64 272.28 298.86 300.84 359.19 312.45 342.23
则顶板钙质页岩平均抗压强度
σ= ==306.79kg/cm2=30.06
影响顶板分类还有直接顶节理裂隙影响系，根据对2604三段工作面顶板测试数，节理裂隙平均间距为0.64m，据国家顶板分类节理裂隙影响系数表中查得间距为0.6m时影响系数C为0.41，间距为0.7m时影响系数C为0.43，则根据插值计算法求得节理裂隙间距为0.64时的影响系数C1为0.418
根据地质资料确定2604三段工作面顶板钙页岩真厚为2.2m，岩层分层厚度一般为1mm～10mm，由分层厚度影响系数查得影响系数C2为0.24。
由以上分析各影响顶板岩层强度系数可知顶板钙质页岩强度指数D为：
D=6·C1·C2=3.08
可见直接顶强度指数为3.08，由原有观测料分析可知2604三段工作面初次垮落步距一般为7m。所以根据以上两项分类指标可确定2604三段工作面顶板为I类即不稳定类型顶板。
3.1.2老顶分级
老顶分级是根据直接顶厚度和采高之比值N，老顶
初次来压步距L1为分类指标将老顶分为四级。2604三段工作面据观测资料与地质资料分析直接厚度平均为2.2m，工作面采高0.9m则直接厚度与采高比值N为
N= =2.4
∑h—直接顶厚度（m）；m—工作面采高
由于该工作初采时未对工作面初次来压显现规律进行资料收集，而且初采时是金支护而不是单体液压支柱支护。在此只能根据以前“2604”工作面收测的初次来压资料作为参考，“2604”工作面初次来压步距一般为19～24m，在2604三段工作面观测过程中发现工作面周期来压前有一定压力显现，但显现不很明显，而局部来压与周期来压想迭加时压力显现明显并表现一定剧烈性，而此依据表3老顶分级指标确定2604三段工作面老顶为II级老顶。
表3 老顶分级指标
级别 I II III IV
老顶来压前显现 不明显 明显 强烈 极强烈
分级指标 0.3∠N∠3.5
L1=25-30 0.5∠N∠3- N≤0.3
L1>50
4结论与建议
（1）从以上分析表明该工作面没有明显的周期来压规律，但在局部地质构造带区域产生局部来压，来压明显而剧烈。
（2）根据支柱工作状况分析表明，要提高支柱工作阻力系数，在打支柱时就必须保证支护质量，使支柱初撑力达到要求，这样就可以降低支护密度，但对于地质构造带、破碎带就必须采取特殊支护方式。
（3）经过对顶板分类研究表明，该工作面采取全部冒落法管理顶板，“四·五”排控顶距以及工作面支护方式是完全能够满足其支护要求的。
作者简介：
张杰雄（1980—），男，重庆人，采矿助理工程师，1999年毕业于重庆煤炭工业学校采矿工程专业，2011年毕业于重庆大学采矿工程专业，煤矿工作13年，主要从事井巷设计、煤矿开采等技术工作，现任重庆南桐矿业公司东林煤矿生产科科长。
[关键词]单体液压支柱；支承压力；矿压分布规律
中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）20-011-02
1概况
2604三段工作面位于东林煤矿南翼二水平四采区，风巷标高为±0m，机巷标高为-50m。其工作面走向500，倾斜长110m～130m。煤层倾角22°，平均煤厚0.90m，工作面回采过程中长有断层、裂隙、破碎带出现，该工作面直接顶为钙质页岩，老顶岩层为灰岩、钙质页岩，底板岩层为铝土页岩。
该工作面采用走向长壁采煤法，放炮落煤。以往开采类似工作面，一般选用HIJA-1700型急增阻金属摩擦支柱按走棚子配以木制顶梁支护方式，支护密度为2.64根/m2。为了推行支护改革，该工作面选用外注式单体液压支柱配套使用HDJA-800型金属绞接顶梁，按齐梁正悬臂式支护，支护密度1.56根/m2。为了研究单体液压支柱支护倾斜工作面矿压显现规律，分别在工作面机巷、风巷、工作面中部与下部布置测区，安设动态仪、压力基点，经过了近8个月的观测，共收集各类数据1万余组，并据此作出如下分析。
2工作面矿压显现规律
2604三段工作面成功的推广使用了单体液压支柱，单体液压支柱的使用提高了工作面支护刚度与支护强度，起到更好的控制顶板目的，本文主要就工作面矿压规律、顶板岩层活动规律、动态表现进行分析研究。
2.1来压规律特征
在煤体、支柱、老塘煤、顶底板这个支承系统中，由于单体液压支柱提高了支护强度，直接顶为I类不稳定顶板很易随回柱冒落，冒落矸石很快充实采空区，限制直接顶进一步冒落，同时冒落矸石起着支承老顶岩梁压力，工作面底板强度较大没有碎矸与浮煤，单体支柱钻底量少。这样在支承系统刚度提高的情况下，限制老顶离层和岩梁断裂，造成老顶来压显现很明显。但是工作面也有大的来压显现，这种来压是老顶岩梁断裂来压与顶板破碎、地质构造带所引起的局部来压相迭加而成。在进行单体液压支柱工作面顶板动态预报期间呈多次发现这种情况。
2.2顶板动态分布规律
为了揭示采场顶板活动规律，在工作面中部、下部设置2条测线，经过观测得知，位于二控顶排顶板下沉量一般较小，平均为10mm，位于四控顶排顶板下沉量平均为25mm。工作面中部顶板下沉速度一般比下部顶板下沉速度小，这是由于中部顶板有利于维护顶板完整性，对顶板离层控制好，支柱工作阻力一般较大。如表1中列出了各控顶排顶板在无来压情 况下最大值与最小值，从表中看出距煤壁2.4m处顶板最大下沉量为63mm，平均下沉量22.9mm，但摩擦支柱支护时在顶板来压时顶板下沉量最大值为131mm，平均值为60mm，相比之下说明单体液压支柱支护更有利于控制顶板下沉，限制顶板过早离层，提高工作面支承强度。
表1 工作面顶板下沉量统计表
中部 21 2 98 36 9 22.3 50 13 33.1
下部 23 4 10 40 11 24.9 63 23 37.4
平均值 9.9 23.6 35.3
22.9
2.3超前支承压力分布规律
为了找出采场超前支承压分布规律，分别在工作面风巷与机巷设置基点、动态仪与压力盒进行测试。经观测分析工作面超前支承压力影響范围为20m，峰值影响范围5-15m。该工作面岩梁断裂步距较小，从而造成工作面周期来压显现不很明显，在内应力场内煤体被压疏。承载能力降低使超前支承压力向前传递，同时在内应力场内的瓦斯得到释放。工作面前方5～20m为工作面超前外应力场，在外应力场5～15m范围内煤层压力很大，在此范围内压力显现明显，是应力集中带，巷道变形显著，若在此范围掘巷有发生冲击地压的可能。
回采工作面风巷，由于上部为采空区，风巷在回采受二次采动影响变形不大，观测资料分析发现工作面前方10m范围巷道有一定压力显现，但压力峰值不大，只要采取一定护巷措施就能确保回采工作安全进行。
2.3倾斜支承压力分布规律
倾斜支承压力对回采工作面影响是一个不可忽略的因素，2604三段工作面要受已回采的2604三段形成的倾斜支承压力影响，相应正在布置的2604四段也要受2604三段回采形成的倾斜支承压力影响，了解倾斜支承压力影响分布规律有助选择风巷布置，沿空护掘风巷，煤柱留设大小提供参数。据观测分析表明，采空区以下5m范围为支承卸压区，在此范围内煤体压疏，顶板破碎，位于此区内顶板破碎度为30～40%，顶板变形量，支承压力小于围岩原始应力。采空区下方倾斜5～16m范围内为支承压力影响区，在该区内支承压力高于围岩原始应力，高峰应力值倾斜在10m左右，垂深为4m，此范围煤体被压实，煤体为弹性状态，积聚变形能和瓦斯压力，倾斜支承压力影响垂直深度为6m左右，实行无煤柱回采工艺，对沿空护掘巷时，巷道布置均不能选择在倾斜支承压力影响区之内，可选择在支承卸压区或支承压力影响区之外。
3工作面顶板分类研究
确定工作面顶板类型是顶板控制方法，支护形式选择的重要依据，直接顶和老顶回采工作面支柱形式、支护强度、控顶区支护方式和采空区处理方法均有影响。一般说来直接顶稳定性对柱型选择和控顶支护方式选择起主导作用，而老顶来压强度则对支护强度，切顶线和采空区处理措施起主导作用。依据国内分类指标按岩层稳定性不同将直接顶分为四类，按直接顶厚度和采高之比值，老顶来压显现程度不同老顶分为四级。
3.1.1直接顶分类
直接顶分类是依据直接顶单向抗压强度，节理裂隙影响系数，分层厚度影响系数，直接顶初次跨塌步距等定量指标来划分直接顶分别。 据2604三段工作面直接顶取样切割成标准试件，经干燥后，在材料试验机上进单向抗压试验，岩层抗压试验结果如表2。
表2 钙页岩單向抗压试验强度
试件编号 1 2 3 4 5 6 7 8
载KV荷 58 60 33.6 81.6 70 102.6 138 92
加载速度N/S 15 15 15 15 15 15 15 15
强度Kg/cm 255.10 312.64 272.28 298.86 300.84 359.19 312.45 342.23
则顶板钙质页岩平均抗压强度
σ= ==306.79kg/cm2=30.06
影响顶板分类还有直接顶节理裂隙影响系，根据对2604三段工作面顶板测试数，节理裂隙平均间距为0.64m，据国家顶板分类节理裂隙影响系数表中查得间距为0.6m时影响系数C为0.41，间距为0.7m时影响系数C为0.43，则根据插值计算法求得节理裂隙间距为0.64时的影响系数C1为0.418
根据地质资料确定2604三段工作面顶板钙页岩真厚为2.2m，岩层分层厚度一般为1mm～10mm，由分层厚度影响系数查得影响系数C2为0.24。
由以上分析各影响顶板岩层强度系数可知顶板钙质页岩强度指数D为：
D=6·C1·C2=3.08
可见直接顶强度指数为3.08，由原有观测料分析可知2604三段工作面初次垮落步距一般为7m。所以根据以上两项分类指标可确定2604三段工作面顶板为I类即不稳定类型顶板。
3.1.2老顶分级
老顶分级是根据直接顶厚度和采高之比值N，老顶
初次来压步距L1为分类指标将老顶分为四级。2604三段工作面据观测资料与地质资料分析直接厚度平均为2.2m，工作面采高0.9m则直接厚度与采高比值N为
N= =2.4
∑h—直接顶厚度（m）；m—工作面采高
由于该工作初采时未对工作面初次来压显现规律进行资料收集，而且初采时是金支护而不是单体液压支柱支护。在此只能根据以前“2604”工作面收测的初次来压资料作为参考，“2604”工作面初次来压步距一般为19～24m，在2604三段工作面观测过程中发现工作面周期来压前有一定压力显现，但显现不很明显，而局部来压与周期来压想迭加时压力显现明显并表现一定剧烈性，而此依据表3老顶分级指标确定2604三段工作面老顶为II级老顶。
表3 老顶分级指标
级别 I II III IV
老顶来压前显现 不明显 明显 强烈 极强烈
分级指标 0.3∠N∠3.5
L1=25-30 0.5∠N∠3- N≤0.3
L1>50
4结论与建议
（1）从以上分析表明该工作面没有明显的周期来压规律，但在局部地质构造带区域产生局部来压，来压明显而剧烈。
（2）根据支柱工作状况分析表明，要提高支柱工作阻力系数，在打支柱时就必须保证支护质量，使支柱初撑力达到要求，这样就可以降低支护密度，但对于地质构造带、破碎带就必须采取特殊支护方式。
（3）经过对顶板分类研究表明，该工作面采取全部冒落法管理顶板，“四·五”排控顶距以及工作面支护方式是完全能够满足其支护要求的。
作者简介：
张杰雄（1980—），男，重庆人，采矿助理工程师，1999年毕业于重庆煤炭工业学校采矿工程专业，2011年毕业于重庆大学采矿工程专业，煤矿工作13年，主要从事井巷设计、煤矿开采等技术工作，现任重庆南桐矿业公司东林煤矿生产科科长。