年产800万t以上综采工作面成套技术.doc

2.年产800万t以上综采工作面成套技术 2.1采场矿压与支护技术 2.1.1浅埋深、薄基岩、厚风积沙下采场矿压显现基本规律 2.1.1.1概述 神东矿区地质勘探资料表明，目前及今后相当一段时期内，各矿所开采区域大部分集中于埋深在200m以内的浅部。埋深浅、薄基岩、上覆厚松散沙层是该区煤层的典型赋存特征。虽然煤层倾角近水平，赋存稳定，开采条件优越，但矿井初期开采实践表明，长壁工作面普遍呈现出台阶下沉现象，矿压显现剧烈，严重影响了开采的安全性以及产量和效益的提高。如，大柳塔煤矿建井初期的试采工作面（C202），来压期间普遍出现350～600mm的台阶下沉。矿区周围几个投产的地方国营煤矿，如郭家湾、哈拉沟、大泛窑煤矿曾经均设计和应用了长壁工作面开采方式，但因在生产期间难以控制工作面来压的顶板台阶下沉，严重影响了生产，顾此又改回为各种方式的房柱式开采。大柳塔煤矿正式投产的第一个综采工作面（1203），埋深50～60 m，采高3.5～4.0m，用YZ350023／45型液压支架支护顶板，初次来压期间工作面中部91m范围顶板出现台阶下沉，其中部31m范围顶板台阶下沉量高达1000mm，部分支架活柱压得没有行程，并出现溃沙现象，地面风积沙进入机尾。周期来压时，不少支架的立柱因受力过猛而出现涨裂，支架损坏严重。这一切说明在神东煤田浅埋深、薄基岩、厚松散沙层的条件下，工作面顶板岩层破断运动具有特殊性，而现有普通长壁工作面顶板岩层控制的经验和理论，不能很好地解释这种矿压现象及机理。因此，神东矿区采场顶板岩层控制理论和采场矿压显现规律的研究，成为矿区煤炭生产和建设中，急需解决和攻克的技术课题。 2.1.1.2国内外相似条件状况及比较 浅埋煤田在世界上为数不多，国外较为典型的是莫斯科近郊煤田和美国阿巴拉契亚煤田。根据文献报道，印度和澳大利亚也在进行浅部煤层开采，埋深在100m以内。这些国外矿区的地表主要为表土层，工作面顶板台阶下沉和涌水溃沙现象并不突出，研究仅限于一般矿压观测和简单的力学分析。以莫斯科近效煤田为例，它的上覆积砂层厚度只有神府东胜煤田的十分之一，并在直接顶范围之内，即煤层之上是粘土层，粘土层上是松散积砂层，直接顶之上是石灰岩老顶。而神府东胜煤田煤层开采层数多、厚度大，且砂层底部含水量比它大得多。类似神东煤田这种浅埋深、薄基岩和地表有厚松散覆盖层赋存条件的顶板岩层控制，几乎没有可借鉴的研究成果。 国内外许多专家学者曾对浅埋煤层矿压规律进行了研究和探索，在顶板岩层控制研究方面也有开创性的工作。但是，研究尚处于初期阶段，有些问题还有待于深入研究，主要有 （1）对基岩老顶破坏机理的研究主要建立在依据实验结果的直观推测上，研究的力学基础仍然采用传统的、静态的材料力学，没有考虑层状岩体分步开挖和动态卸荷这一真实力学过程。因而，必然带来认识的局限性和由实验偶然性造成的认识上的分歧。 （2）对顶板是否存在结构以及顶板结构形态的认识不统一，顶板结构与矿压显现的关系尚未研究，还没有一个岩层控制意义上的浅埋煤层科学定义。 （3）有含潜水松散层的浅埋煤层，初次来压威胁最大。然而，由于目前对采场初次来压顶板结构及其稳定性缺乏研究，也就很难确定合理的控制方法和参数。对周期来压的分析也仅建立在悬梁或单一岩块的基础上，没有以破断岩块相互作用的观点对其稳定性进行分析。由此得出的支护阻力计算没有体现“支架围岩”相互作用的辩证法则。顶板控制的影响因素及其有效控制途径有待于深入研究。 （4）以往研究虽然运用了立体模型，但实验分析主要依靠平面模型。对基岩老顶运动的空间结构形态及贯通裂缝空间分布规律尚缺乏认识。 长壁开采一直是我国和欧洲产煤国家的主要采煤方法。近年来，传统上多使用连续采煤机房柱式开采的美国也大力发展高产高效长壁开采。1983年美国长壁综采面总产量为2.73亿t，占生产矿井总产量的28％；到1995年已达3.1亿t，工作面单产和效益均居世界第一。 神东矿区在煤炭生产和建设中，首先将影响长壁综采工作面发展的矿区特殊地质条件下的矿压规律，作为首要的技术难题加以攻克和解决，通过研究、探索，攻克了这一难度较大的技术课题，提出了浅埋深、薄基岩、厚风积沙下采场矿压理论和显现规律，有效地控制了顶板，成功地指导了矿区的煤炭生产，使矿区在研究、应用一系列先进生产技术和生产设备的条件下，创造了“一矿一井一面”年产原煤920万t、“单一长壁综采工作面”年产原煤800万t的世界纪录。 2.1.1.3采场矿压研究方法 （1） 回采工作面的矿压观测 工作面矿压现场观测的目的是掌握回采工作面老顶来压显现特点、步距和强度；分析回采空间支架与围岩相互作用关系，为选择支护设备、合理地安排工序和顶板管理方法提供科学依据。 工作面矿压常规观测项目有顶底板移近量、支柱活柱下缩量、支架载荷和支架工作状态等。 工作面矿压观测方法是将“三量”测点沿工作面设置上、中、下三个测区，每个测区沿走向设2～3条观测线。当工作面较长时，可设5～7条观测线。每条测线上选1～2台支架作为该线上的观测站。 ④ 顶底板移近量观测 顶底板移近量用测杆和自动钟配合连续观测，从靠近煤壁设置测点起，测至靠近采空区测点报废止，将观测数据逐一填入工作面矿压“三量”记录表中。 ②活柱下缩量观测 活柱下缩量观测一般采用标点法，用钢卷尺测量，其观测顺序与顶底板移近量观测法相同，将支柱初撑时活柱高度和末阻力时活柱高度各测一次，观测数据填入工作面矿压“三量”记录表中。 ③顶底板移近速度观测 顶底板移近速度观测就是将测点设在靠煤壁一侧，距割煤或放顶30m处。用计时器计时，同时还要测出测点在工序进行过程中顶底板移近量，将测量数据计入观测记录表中，然后计算出顶底板移近速度。整个测量过程到顶底板重新稳定之后为止。 ④支护阻力观测 单体摩擦支柱的支护阻力可用机械式或液压式测力计测定，液压支架的支护阻力可用压力自记仪观测。对带有压力测定和显示装置的进口支架，可以从其液晶显示屏上直接读取相关数据，根据落煤移架工序读取支架（支柱）初撑力和工作阻力。 （2）相似材料模拟研究 为了进一步搞清浅埋煤层的顶板破断运动规律，利用1203工作面相似材料模拟实验。 根据地质资料，按最危险条件选取地层参数。煤层结构简单为一单斜构造，倾角为5，地表松散层由风积沙和沙砾层组成，松散层底部含有潜水，水源为大气降水。工作面循环进尺0.8m，日进3个循环。 模拟采用5m平面模型，线比150，相似材料与配比见表2.11。 模拟中为了使垮落岩块能存在于模型中充填采空区，人为加大了直接顶强度，模型由开采煤层模拟至地表，松散层直接用干河沙模拟，用有机玻璃板进行侧护。分层材料用云母粉，人工制造节理裂隙。煤层底部铺设有称重传感器，在风化层和地表布设了岩移测点。实验现象和数据采用素描、拍照、量测、记录等多种方式进行采集。模型开挖按几何相 表2.11 1203工作面岩层主要参数与相似配比 层 序 厚度 （m） 体积力 （MNm-3） 抗压强度 （Mpa） 模拟材料 配 比 风积沙 8 0.016 0 干河沙 砂砾层 6 0.02 1.1 石子、干河沙 13 基岩风化层 3 0.023 7.1 河沙、石膏粉、大白粉 837 泥岩、粉砂岩 6.4 0.025 47 河沙、石膏粉、大白粉 737 石英砂岩 8.6 0.024 45 河沙、石膏粉、大白粉 746 1-2煤层 6.0 0.013 13.4 煤粉、石膏粉、大白粉 928 似比和时间相似比进行，几何相似比C150 ，时间相似比Ct，测每步开挖1.6cm，间隔时间约为1h，以采高4m的模拟为主，说明浅埋煤层顶板破断运动的基本规律。 （2） 动态仿真模拟 动态仿真模拟是应用SFA岩层破断过程分析系统，通过有限元法和计算机数据后处理功能实现对岩石破坏及变形过程的模拟。 本次模拟长度范围270m，深度范围80m，长度方向取300个单元，深度方向取90个单元，模型计算单元总数计2700个。根据模拟岩层物理力学参数所换算的模型，各岩层部分物理力学参数见表2.12。 按上述参数建立计算模型，确定边界条件和计算条件，然后进行开挖工作，模型开挖就是模拟采煤过程，每开挖一次表示采一次煤，一次开挖步距为每小班循环进度。本次模拟开挖步长确定为4.5m，表明工作面回采速度较快。数值模拟计算模型如图2.11。 4理论研究 在矿压观测、相似材料模拟和计算机动态仿真的基础上，建立数学力学模型，并进行理论分析，为现场生产提供依据。 表2.12 数值模拟模型物理力学参数 岩 层 序 号 弹性模量MPa 泊松比 抗压强度MPa 自重 10-5N/mm3 厚度m 表土层 1 800 0.30 6 2.50 5～10 火烧岩 2 7000 0.25 28 2.50 30 老顶 3 9000 0.25 35 2.50 25 直接顶 4 5000 0.25 23 2.50 0.9 煤 5 3000 0.30 18 1.30 3.6 底板 6 9000 0.25 55 2.50 11.5 裂隙 7 7000 0.25 5 2.50 0.05 图2.11 数值模拟计模型 2.1.1.4回采工作面矿压观测实例 为了系统地分析厚风积沙、浅埋深煤层顶板矿压显现规律，寻求有效的顶板控制方法，现对大柳塔煤矿C202普采工作面、1203国产综采工作面、补连塔20604高产高效综采工作面、活鸡兔煤矿12205高产高效综采工作面矿压资料作一分析研究。 1）C202普采工作面矿压显现规律 （1）C202普采工作面概况 C202普采工作面是大柳塔煤矿建井初期第一个试采工作面。开采2-2煤层，厚度3.5～4.1m，平均3.8m，倾用小于3，埋藏深度平均65m。煤系地层柱状如图2.12所示。煤层顶板组成可分为 （1）伪顶厚度小于0.5m,为极易垮落的炭质泥岩,层理、裂隙发育，遇水易崩解。 （2）直接顶厚度0.46～7.5m,一般3m左右,为粉砂岩、泥岩、砂质泥岩，层理发育。初次垮落步距17m，属中等稳定顶板。 （3）老顶厚度大，岩性为砂岩和砂质泥岩，单向抗压强度达50MPa。 开采区上方1-2煤层已自燃，烧变岩厚度20m左右，其上为毛乌素沙漠风积沙覆盖层。工作面长度为102m，采高2.2m，爆破落煤，日推进一个循环，循环进尺1.2m。采用HZJWA微增阻金属磨擦支柱，配合HDJA1200金属铰接顶梁支护顶板。排距1.2m,柱距0.6m,控顶距为3.6～4.8m,见四回一,全部垮落法管理顶板。 图2.12 C202普采工作面煤系地层柱状图 （2）C202普采工作面来压显现规律 观测时间计48天，观测开始时工作面已推进143.6m,观测经历了6次周期来压,主要来压特征见图2.13及表2.13。 根据实测，C202工作面矿压显现有以下特点 ①由开采情况推算，老顶初次来压步距为24m。 ②周期来压明显，实测6次来压“三量”的增值倍数（来压期间与平时平均值之比）都比较大，平均为2.6～3.8，如表2.14所示。 ③周期来压步距不大，一般为6～9m。来压经历时间短，推进两个循环2.4m后结束，表明老顶岩块在短期失稳后，能很快随工作面推进形成新的平衡，顶板运动存在结构效应。 图2.13 C202工作面周期来压显现曲线 表2.13 C202工作面周期来压规律一览表 来压次序 来压步距 （m） 经历推 进距离 （m） 支柱平 均载荷 （kN） 支柱平均 最大载荷 （kN） 顶底板平均 移动速度 （mmh-1） 活柱平均 下 缩 量 （mm） 台阶 个数 （个） 台 阶 下沉量 （mm） 1 1.2 246.4 313.3 13.75 70.42 1 600 2 9.6 1.2 233.0 249.5 6.85 67.25 1 400 3 6.0 1.2 245.7 430.0 4.66 68.67 1 350 4 6.0 1.2 180.0 260.0 8.99 72.70 1 400 5 7.2 1.2 188.7 192.0 4.69 65.82 1 500 6 9.2 1.2 322.5 400.0 6.30 66.25 1 500 平均 7.56 1.2 236.4 307.5 7.54 68.52 1 458 ④来压的主要特征是沿煤壁产生台阶下沉，台阶下沉量为350～600mm，最大一次沿工作面中下部范围长达70m，说明老顶岩块本身不能形成稳定的铰接岩块或砌体梁结构。但是，在支柱插底严重、支护质量比较差的情况下，金属摩擦支柱支护的工作面并没有被压垮，说明结构效应依然存在。 表2.14 工作面来压“三量”增值倍数 实测来压次数 支柱平均载荷倍 顶底板移近速度倍 活柱下缩量倍 1 3.3 5.5 1.4 2 2.5 2.5 2.7 3 3.7 2.2 3.3 4 3.4 6.6 10.0 5 2.6 2.6 2.7 6 3.8 2.6 2.9 平均 3.2 3.7 3.8 ⑤生产工序对工作面矿压显现有明显影响。回柱时顶底板移近速度为平时的4.91倍，支架载荷为3.2倍，活柱下缩量为3.5倍。当工作面推进慢至一天一个循环（1.2m）时，距工作面煤壁2.4m处顶板平均下沉量为62.4mm，支架平均载荷为102kN/柱，活柱下缩量为67.7mm，比平时增加36.5mm。 ⑥进、回风平巷矿压显现缓和，观测期间巷道两帮均未发生过明显变形和破坏现象。采动影响范围 16m，支撑压力峰值在距煤壁4.5m处。 （3）C202工作面“三量”与“支架围岩”作用特征 ①工作面支柱“三量”分布如表2.15所示，前排小后排大。 ②工作面留有底煤，支柱插底使支护系统刚度降低，支柱增阻速度慢，支护质量较差。 表2.15 C202工作面“三量”分布 支柱排数 1 2 3 距煤壁距离（m） 1.2 2.4 3.6 平均载荷/（kN.柱-1） 39.4 106.5 133 活柱下缩量（mm） 9.7 31.5 62.2 顶底板移近量（mm） 23.2 66.5 127.7 ③工作面来压明显，来压时间短及台阶下沉等现象表明老顶结构难以取得自身平衡，然而在支柱质量比较差的情况下工作面却没有压垮，说明顶板结构仍然有一定的自承能力。支柱对老顶的支护作用主要是平衡老顶来压时超过自身承载能力以外的顶板压力，从而形成“支架围岩”共同承载。 2）1203综采工作面矿压显现规律 （1）1203综采工作面概况 1203工作面是大柳塔煤矿正式投产的第一个综采工作面。开采1-2煤层，地质构造简单。煤层平均倾角3，平均厚度6m，埋藏深度50～65m。覆岩上部为15～30m风积沙松散层，其下为约3m风化基岩。顶板基岩厚度为15～40m，在开切眼附近基岩较薄，沿推进方向逐渐变厚。松散层下部有潜水，平均水柱高度5.5m。煤系地层典型柱状如图所示。直接顶为粉砂岩、泥岩和煤线互层，裂隙发育。老顶主要为砂岩，岩层完整。 图2.14 1203工作面煤系地层柱状图 工作面长度150m，采高4m，循环进尺0.8m，日进2.4m。顶板支护采用YZ3500-23/45掩护式液压支架，支架初撑力2700kN/架，工作阻力3500kN/架。 （2）1203综采工作面来压显现规律 ①初次来压 1203工作面自开切眼推进27m时，开始大范围来压，即老顶初次来压。其主要特征是工作面中部约91m范围顶板沿煤壁切落，形成台阶下沉。其中24～45号支架间约31m范围内台阶下沉量高达1000mm，来压猛烈，造成部分支架被压死。来压期间大量潜水自顶板裂隙涌入工作面，最大涌水量达到250m3/h，涌水三天后工作面机尾（靠轨道平巷）出现溃沙现象。 ②周期来压 实测期间工作面共推进40m，出现4次周期来压，来压步距9.4～15.0m，平均12m。来压主要特征如图2.15及表2.16所示。来压期间的特点是工作面顶板淋水增多，支架载荷急剧增大，活柱下缩量急剧增加等现象。来压历时较短，仅为一天左右。 周期来压时基岩顶板切落一般发生于架后，工作面矿压显现比初次来压缓和，但仍有不少支架立柱因动载而出现胀裂。 图2.15 1203工作面周期来压曲线 表2.16 1203工作面周期来压规律一览表 来压次序 来压步距 （m） 经历推进距离（d） 支架平均载荷（kN） 支架最大载荷（kN） 活柱下缩量（mm） 来压动载系数 1 9.4 1 3500 3700 18 1.1 2 9.7 1 3300 3785 3 1.45 3 13.9 1 3500 3819 9.5 1.3 4 15.0 1 3450 3690 2.5 1.19 平 均 12.0 1 3437 3748 8.3 1.26 ③工作面顶板破断及地表移动特点 工作面台阶下沉是顶板基岩沿全厚切落的结果，这是厚松散层下浅埋薄基岩煤层顶板破断的一个主要特点，已被初次来压和第一次周期来压的地表下沉观测所证实。 由图2.16、图2.17可知，来压时在对应煤壁的地表出现了高差约20cm的地堑，表明覆岩破断是贯通地表的。工作面第一次周期来压时上覆岩层也发生了类似的破断，只是地堑位置对应于工作面煤壁后方4.5m处。地表最大沉陷点不在采空区中部，而是在靠近开切眼侧，表明顶板初次破断存在不对称性。 （3）工作面支架工作阻力分析 ①支架初撑力 根据实测，支架初撑力平均为2012kN/架，为额定阻力的74。初撑力一般分布于1500～1700kN/架之间，其频率占78，说明支架初撑力正常。 图2.16 1203工作面初次来压地表下沉剖面 图2.17 1203工作面初次和第一次周期来压地表下沉剖面 ②支架工作阻力 观测期间，支架最小工作阻力为1300kN/架，最大工作阻力为3590 kN/架。平均工作阻力为2800 kN/架，为额定工作阻力的80。工作阻力分布于3000 kN/架以内的约占68，大于3500 kN/架的仅占3.6，说明支架平时的工作阻力并不大，只有来压时支架工作阻力才超过额定值。 ③支架初撑力与工作阻力的关系 通过观测数据回归分析，得到支架初撑力P0与最大工作阻力Pm的关系为 Pm530-0.93P0 可以看出，随初撑力的增大，支架最大工作阻力减小。 （4）顶板厚载荷层运动分析 根据1203工作面地表岩移观测，初次来压从顶板垮落到地表塌陷的时间虽然很短，但也有14h，说明基岩破断后上覆厚载荷层的冒落仍然有一个时间过程。如，工作面推进27m时首次塌陷范围为枣状，长轴53m，短轴22m，其范围远小于实际开采尺寸。当推进29.95m时，塌陷坑长轴增加为93m[39]。说明厚载荷层随顶板运动有“迟滞”现象。说明基岩破断能很快波及地表。但是，地表最大下沉速度点却位于工作面后26～30m，表明载荷层重量不是一次性全部传递到顶板结构的。 由地表移动实测分析发现的“载荷传递”效应，是C202工作面支柱插底严重而工作面没有被压垮的原因，也是工作面推进速度减小时压力增大的原因。由于浅埋煤层工作面的顶板载荷层的“载荷传递”效应，作用于顶板结构的载荷不是载荷层全厚重量。 3）20604高产高效综采工作面矿压显现规律 （1）20604综采工作面概况 工作面地质构造简单，开采2-2煤层，煤层近水平，平均倾角1.5，平均厚度4.28m。煤层埋藏深度80～120m，一般为95m左右。 覆岩上部为23～55m松散层，其中自上而下，风积沙层厚度3～10m，为潜水含水层；粘土及中、细沙层厚度一般为17m，为隔水层；粗沙及砾石层厚度一般为14m，也是良好的含水层。松散层上部为约5m中粗粒石英砂岩风化基岩。煤层顶板基岩厚度为35～50m，中上部岩性为粉砂岩并含1-2煤线，中下部为粉砂岩、砂质泥岩及中砂岩，下部为5m左右粉砂岩及砂质泥岩。直接顶为泥岩、砂质泥岩。老顶主要为砂岩，岩性完整。煤系地层有关参数见20604工作面煤系地层柱状图图2.18。 （2）工作面设备及技术参数 工作面煤壁长220m，采用美国久益公司生产的6LS-03型双滚筒电牵引采煤机割煤，采高4.3m，循环进尺0.8m。采用德国D.B.T公司生产的WS1.7型掩护式液压支架支护顶板，支架初撑力4098 kN/架（31.5MPa），工作阻力6708 kN/架（43.0MPPa）。工作面共布置130台支架，支架编号为自运输平巷至回风平巷1～130号，支架参数详见表2.17。 （3）20604工作面来压规律 在工作面推进初期一个月中，最大推进速度达到19.5m/d，一般推进速度为10～15m/d。工作面在5个月的推进期间，月进度达220m以上，达到了高产高效。因此，本次观测可以代表浅埋煤层高产高效工作面的矿压基本规律。工作面开采过程中的初次来压和周期来压特征如表2.18所示。 ①初次来压 图2.18 20604工作面煤系地层柱状图 表2.17 工作面液压支架主要技术特征 支架型号 支架 型式 顶梁长度 （mm） 外形尺寸 （mmmmmm） 初撑力 （kN.架-1） 额定工作阻力 （kN架-1） 重量 （t） WS1.7 掩护式 4030 649017502100 4908 6708 19.2 初次来压步距54.2m，来压时68～104号支架间的顶板首先垮落，70号支架淋水较大，老塘大量涌水。然后，60～114号支架间长壁切顶，顶板台阶下沉量为25mm左右，压力影响带5.1m。初次来压期间平均推进速度7.1m/d，平时的支架压力一般为2618 kN/架（16.8MPa），来压时的支架压力平均为5612 kN/架（36.0MPa），工作面中部达到6700 kN/架43.0MPa，来压动载系数2.14。初次来压期间工作面来压分布如图2.19所示，平时的支架平均载荷比较小（2618 kN/架），分布也比较平缓。来压时增载幅度比较明显（平均为5612 kN/架），工作面中部压力明显大于两侧。 ②周期来压 在2月16日至2月28日的12天内，出现10次周期来压，平均一天一次周期来压。周期来压步距为10.8～19.5m，平均14.6m。 工作面平时支架压力为3900 kN/架（25.0MPa）左右，来压期间工作面中部支架压力一般在6200 kN/架40.0MPa以上，周期来压期间动载系数为1.58。 工作面30～110号支架大部分曾达到6700 kN/架（43.0MPa），安全阀开启，工作面出现顶板沿煤壁切顶现象，切顶形成的台阶下沉不大，一般在100mm以内，对工作面不 表2.18 20604工作面顶板来压规律一览表 来压类型 和 序 号 日期1999年.月.日 来压步距（m） 来压特征描述 推进速度（m.d-1） 来压宏观描述 台阶下沉量（m） 来压影响带 （m） 首 采 2.08 1999年2月8日开始开采 初次来压 2.14 54.2 长壁切顶，老塘、顶板中部涌水较大 0.2 5.1 7.1 周期来压 1 2.16 15.3 30～80架安全阀开启 0.05 3.4 5.1 2 2.18 18.5 30～80架切顶 0.1 3.4 9.3 3 2.19 10.8 30～50架切顶 0.05 10.8 4 2.21 12.4 41～89架安全阀开启 0.05 3.4 6.2 5 2.22 19.5 30～69架切顶 0.05 19.5 6 2.23 13.5 41～74架安全阀开启 0.1 2.5 13.5 7 2.25 11.5 30～112架安全阀开启 0.1 5.8 8 2.26 15.3 50～76架切顶 0.1 3.4 15.3 9 2.27 14.4 40～60架切顶 0.1 14.4 10 2.28 14.4 38～67架切顶 0.1 2.4 14.4 平均 14.6 11.4 构成明显威胁。 周期来压期间工作面压力分布特征与初次来压时类似，平时压力在3900 kN/架（25.0MPa）左右，分布平缓。来压时压力一般在6200 kN/架（40.0MPa），中部一般都达到额定支护阻力，体现了明显的板破断特征，见图2.110所示。 图2.19 初次来压工作面压力分布 （3）支架工作状况及推进速度的影响 ①初撑力 图2.110 周期来压期间工作面压力分布（自动监测） 工作面初撑力存在两种状况，当推进速度较慢（少于每天15个循环）时，初撑力一般在20.0～31.5MPa之间，平均26.5MPa（4446 kN/架），为额定初撑力的84。 当工作面推进速度比较快时，由于泵站供液不能满足快速推进的需求，支架一般采用3秒钟自动升架，初撑力一般只能达到17.020.0MPa，平均18.5MPa（2886 kN/架），为额定初撑力的58。 ②工作阻力及最大瞬时载荷 通过对工作面支架4月至7月共4个月的连续记录的数据分析，发现工作面推进不正常（时停时进）时工作阻力一般在28.0～42.0MPa之间，循环平均工作阻力为35.0MPa（5453 kN/架），为额定工作阻力的81。来压时，工作面中部大部分支架达到额定工作阻力，即接近7000 kN/架，工作面出现微小台阶下沉。 当工作面连续推进速度达20循环/d以上时，工作面压力显现减缓。支架载荷一般在20.0～40.0MPa，循环平均载荷 30.0MPa（4674 kN /架），为额定工作阻力的69。支架最大载荷一般在40.0MPa（6200 kN /架）以内，最大载荷持续时间很短。连续快速推进状态下，来压时工作面中部仍然有大量支架安全阀开启，支架最大载荷达到7100 kN /架，顶板存在100-200mm台阶下沉，说明所选取的支架支撑力并不富裕。 ③推进速度的影响 在2月至7月1500m的推进过程中，工作面周期来压步距存在大小周期，小周期9～14m（平均12m）大周期17～24m（平均20m）。工作面连续快速推进时周期来压步距增大，一般20m左右。虽然高速推进下支架初撑力仅为额定初撑力的58，周期来压步距增大，但工作阻力并没有增加。快速推进还减缓了工作面台阶下沉量，因此加快推进速度对顶板控制和实现高产高效有积极作用。 4）12205高产高效工作面矿压显现规律 （1）12205高产高效工作面概况 ①工作面地质概况 工作面开采2-2煤层，煤层倾角0～3，地质构造简单，煤层厚度2.91～4.23m，平均3.57m。煤层距地表35～107m，正常基岩厚度88m左右，在脑高不拉庙沟处，基岩厚度仅有21m。 覆岩上部主要为第四系风积沙，平均4.3m，局部为固定沙和红土层。第四系冲积层受剥蚀影响，分布不均，厚度约19m左右，煤层直接顶以粉砂岩为主，厚度在1.0m左右，局部为泥质砂岩。老顶以粉砂岩为主，局部夹有炭质泥岩薄层，下部为中、细粉砂岩岩层，钙质、泥质胶结，总厚度为28m。老顶之上的1-2煤层已火烧，其顶板较破碎，难以形成平稳结构。 ②工作面设备及技术参数 12205工作面长230m，推进长度2251m，工作面主要装备有6LS-05型采煤机，2/7625kN型掩护式液压支架，支架参数见表2.19，LAD顺槽胶带机，315kW转载机和315kW破碎机。工作面采高3.5m，循环进度0.8m。 表2.19 工作面液压支架主要技术特征 支架型号 支架型式 顶梁长度mm 外形尺寸 长宽高 （mm） 初撑力 kN架-1 定 额 工作阻力 kN.架-1 支架 重量 t 2/7625 掩护式 4118 650017562200 5063 7625 24 （2）12205工作面来压规律 工作面设计有六个测区。按130架支架一字排开，1～27号架为Ⅰ测区，28～47号架为Ⅱ测区，48～67号架为Ⅲ测区，68～87号架为Ⅳ测区，88～107号架为Ⅴ测区，108～130号架为Ⅵ测区。 ①初次来压特征 1999年11月8日，当工作面机尾推进41.2m，机头推进46.5m时，在工作面中部55～105号支架间的顶板开始垮落，并沿工作面方向向两边顺序垮落，工作面煤壁片帮严重，支架上SIM显示r 压力值普遍上升，中部支架工作阻力达8199kN/架，平均为5600kN/架，来压步距51m。 ②周期来压 当工作面机头推进71.1m，机尾推进68.1m时，工作面继初次来压后矿压显现再次明显增强，出现第一次周期来压，通过12次周期来压观测，周期来压步距分别为25.75m、5～7m、13～15m、17～18m不等。顶板周期性垮落有大小周期之分，一般情况下小周期步距为7～15m，大周期步距为18m左右。 由于沿工作面推进方向地表地形相差很大，第一段从开切眼至脑高不拉庙沟，地表相对高差变化小，煤层埋深80～100m；第二段为脑高不拉庙沟地段，沟底距工作面40m，基岩厚度仅有21m；第三段为过沟后至工作面结束段，煤层埋深100～120m，地表相对高差变化较大，这一因素直接影响了工作面顶板压力和来压步距。 （3）12205工作面支架工作阻力分析 ①初撑力 根据实测每个观测线上的两台液压支架上的压力，并取加权平均值，工作面上、下六个测区的初撑力平均值为4150kN/架，为额定初撑力的82，低于初撑力额定值的仅占6。 ②工作阻力 工作面支架工作阻力大小取决于工作面顶板压力的大小，液压支架大部分时间低于额定工作阻力，多在5600 kN/架左右，只有在初次来压和第一次周期来压期间达到额定工作阻力，而且主要出现在工作面中部测区。由于支架的高支护阻力，工作面基本上没有明显的台阶下沉。 （4）12205工作面顶板原载荷层运动分析 工作面地表岩移观测报告指出12205工作面日推进度大于10m，地表移动呈现出变形速度快、初始期短、活跃期短、衰退期短、地表移动时间短的特点，顶板垮落能较快传递到地表，使地表出现沿工作面推进方向的塌陷坑，其周边出现正台阶裂缝，地表裂隙达500～1000mm，局部出现条带下沉，其最大深度约2m。 当工作面来压时，活柱下缩量最大为15mm，平时活柱下缩量约为9mm，周期来压时支架工作阻力在5600kN左右，绝大多数支架未达到额定工作阻力，说明支架受力不大，同时也反映出上覆厚载荷层虽然较快地波及地表，但没有一次性全部传递到顶板结构上。 5）回采工作面两巷矿压显现特点 （1）1203工作面顺槽矿压显现特点 1203工作面顺槽观测的主要内容是顺槽顶底板和两帮移近量、锚杆载荷、围岩深部移近量等。经过3个月的观测，主要结果及结论是 ①工作面采动影响范围在工作面前方14.7～22.4m，平均18.6m。 ②在采动影响范围内顶底板平均移近速度2.5mm/d，最大移近量6.91mm。 ③顺槽超前双排柱和顺槽锚杆支护强度（50kN/根）可行。 （2）12205工作面顺槽矿压显现特点 12205工作面顺槽矿压观测结果与1203工作面基本吻合 ①工作面采动影响范围在工作面前方0～40m，13～18m范围内较为明显。 ②在采动影响范围内顶底板移近速度最大为4mm/d，最大移近量20mm，平均9.15mm。 ③顶板离层量3～4mm，顶板完好。 2.1.1.5顶板来压规律 综合以上工作面的矿压观测研究结果，整理得工作面顶板来压特征见表2.110。 表2.110 工作面顶板来压特征 矿名 工作面 编 号 直 接 顶 初垮步距（m） 老顶初次 来压步距 （m） 老顶周期来压 备注 步 距 （m） 支架阻力（kN） 动载系数 最 大 平 均 大柳塔 C202 17 24 7.56 307.5 236.4 1.31 大柳塔 1203 18 27 12 3748 3437 1.26 补连塔 20604 24 54.2 14.6 6200 3900 1.58 活鸡兔 12205 22.5 51 11～18 7880 5600 1.40 根据现场观测分析，神东矿区浅埋深条件下，工作面来压特征同样表现为直接顶初次垮落、老顶初次来压和老顶周期来压。 1） 接顶初次垮落 由上表可知，直接顶初次垮落步距在17～24m，平均20.5m；直接顶初次垮落阶段，有煤壁片帮现象。 2） 顶初次来压 老顶初次来压步距为24～54.2m，来压持续时间2～3d，老顶初次来压时工作面煤壁片帮严重。 3） 老顶周期来压 老顶周期来压有大小周期之分，一般情况下，小周期步距为7～15m，大周期步距18m，来压时支架最大工作阻力在3750～7880KN之间，平均工作阻力为3400～5600KN，来压持续时间1～2天。 4） 顶板来压强度 顶板来压强度用动载系数来衡量，周期来压期间动载系数在1.26～1.58之间，平均1.41。说明浅埋深条件下，老顶来压强度比较剧烈。 2.1.1.6工作面矿压显现特征 1）、C202、1203、20604、12205工作面体现了神府东胜矿区煤层赋存条件和开采条件的基本特点 （1）工作面埋深35～120m，基岩厚度17.3～88m，风积沙和未固定沙0～7m，平均6.56m。 （2）工作面支架（柱）支护阻力由小到大，C202工作面234.6kN/柱，1203工作面2800kN/柱额定值3500kN，20604工作面5603 kN/柱（额定值6708 kN/柱），12205工作面5600 kN/柱（额定值7625 kN/柱）。 （3）工作面采高3～4m，回采工艺为综合机械化采煤，工作面日推进度10～30m，平均22m。 （4）顶板比较完整。 2）工作面矿压显现理论和基本特征 基于以上特点，四个工作面的矿压观测结果代表了神东矿区厚风积沙、浅埋深煤层采场矿压显现理论和基本特征。 （1）浅埋煤层工作面开采后顶板基岩沿全厚切落，破断直接波及地表。工作面覆岩不存在“三带”，基本上为冒落带和裂隙带，而没有弯曲下沉带。 （2）顶板载荷层运动有“迟滞”现象和“载荷传递”效应，支架承受的只是上覆岩层重量的一部分，体现了支架与围岩共同承载的特性。 （3）来压过程表明，顶板有明显的板破断特征，工作面中部载荷大、两端载荷小。但由于顶板载荷层厚度大，沿推进方向，老顶岩块不易形成稳定的砌体梁结构。 （4）保持较高的初撑力和工作阻力，能够维持顶板稳定，控制工作面台阶下沉。 （5）工作面两巷采动影响范围较小，不存在严重采动影响区。 （6）加快工作面推进速度，周期来压步距明显增大，工作面压力有所减弱，有利于采场顶板管理。 2.1.1.7工作面顶板破断运动规律 1）工作面顶板破断过程