（山西汾西礦業(yè)集團正新煤焦公司和善煤礦 山西 046500）

1.引言

經過我國多年的發(fā)展和完善，高海拔綜采已經取得了積極的成果。根據成功生產高度綜采井的實際情況，可以看出，高海拔綜采對提高井底開采速度，減輕工人的勞動強度具有重要作用。減少工作面的粉塵并提高工作面的速度。然而，隨著礦井高度的增加，高礦井高度對工作間隙的壓力，高礦井高度對煤壁的控制以及上覆煤層的運動呈現出新的特征。在一個真實的項目中，對高開采高度的綜采工作面的地下壓力表現形式進行觀察，分析和概括，以及明確煤層特定地質條件下的內部形態(tài)，將有助于確保安全性。

2.室內相似模擬試驗研究

(1)試驗模型設計及測試系統(tǒng)

根據杭來灣煤礦的開采條件，在平面物理模型框架上進行了測試，同一物理模型的長度，寬度和高度分別為3.0m、0.2m和1.33m。物理模型的幾何相似常數為CL=100，堆積密度相似常數Cγ=1.6，重力加速度相似常數Cg=1，位移相似常數CS=100，彈性模量相似常數CE=160。實驗中使用的類似材料是河砂，水泥。該模型使用分層堆疊方法，并且針對每個巖石層選擇云母片作為分層節(jié)理。干燥后，通過添加鐵磚安裝模型，并在模型的上表面施加15.5MPa的均勻載荷。在測試模型的表面上共有84個光學全站儀測量點，以測量模型位移。在該型號的關鍵級別上安裝了11個百分表，以檢查沉降。將CL-YB-114壓力施加到煤層上以檢查壓力值，用于測試工作面上的支撐。測試模型的底部、百分表、全站儀測量點和壓力傳感器的位置如圖1所示。

圖1 模型測試系統(tǒng)布置

(2)試驗過程

在模型右側距支架邊緣40cm處鉆出一個切口，以減少邊緣效應對測試的影響。切口的高度和寬度分別為50cm和80cm，完成切口后，擰緊模型支架。將角墻沿前進方向放置在切口中，預設插入力為5189kN。然后將工作面向前移動4cm/步，挖掘高度為5cm。在測試中總共進行了53次挖掘，工作面長度為212m。

(3)工作面礦壓顯現規(guī)律

①支撐載荷的阻力系數和工作表面的動力學可以從測試模型上的支撐載荷中獲得。支架的最小操作電阻力為5060kN，最大操作電阻力為10850kN，平均操作電阻力為6014kN。

②當支撐工作阻力超過其加權平均工作阻力時，這就是最高壓力。在測試期間，當工作間隙移動60m時會出現第一個壓力，工作間隙經歷了9個壓力循環(huán)，并且循環(huán)壓力是逐步的，12m-20m，平均周期為15.56m。

③支架的動態(tài)載荷系數與行進距離之間的關系如圖2所示。處于壓縮狀態(tài)的支架的動態(tài)載荷系數＞1.4。在第一周期的壓縮中，支架的動態(tài)載荷系數最小，為1.47。在第三周期的壓縮中，支架的動態(tài)載荷系數最高，為1.98。當上覆地層的兩個關鍵層同時倒塌時，支撐的動態(tài)載荷系數最高。由于第一關鍵層和第二關鍵層的協(xié)調運動，支座的動態(tài)載荷系數趨于變化：大→小→大→小。

圖2 來壓時支架動載系數與推進距離關系

④在試驗中，在第三至第八個周期中出現了大、小周期的明顯交替，上覆層的遷移特征如表1所示。

表1 大小周期來壓上覆巖層運移特征

當工作面移動104m時，出現第三次循環(huán)的壓力，這是該次循環(huán)的較高壓力。這時，第一關鍵層被定期破壞，同時，第二關鍵層被第一次破壞，第二關鍵層的上覆載荷層被部分破壞。塌方巖層的高度為83m，未破碎巖層的懸垂長度為35m，自由空間為1.5m。上覆層清晰地分為三個區(qū)域，塌陷區(qū)的高度為16m，壓裂帶高度為57m，下沉撓度帶高度為9m，煤壁崩落角為68°，工作時崩落角為63°。

3.工作面礦壓觀測及結果分析

(1)礦壓觀測方案設計

在觀察過程中，在工作面長度的中間安裝了一條測量線，僅安裝了3組支架，即70#，71#和72#支架。距機器頭部30m的下部和3個觀察支架，即19#，20#和21#。在支架尾部30m的工作面上部，有3個觀察支架，分別是121#，122#和123#。

為了能準確地捕捉到工作面的初次來壓和周期來壓，對于正常開采時期（即初次來壓前、初壓與第一次周壓期間以及周壓與周壓之間）的采樣周期可以確定為1次/d，而對于所有的初次來壓期間和需要觀測的4次周期來壓期間，其采樣周期可以確定為30min/次，維持時間應為來壓開始直至來壓結束，一般為1d～2d。

(2)礦壓顯現規(guī)律研究分析

在工作面的開發(fā)過程中，支撐阻力不斷變化，其技術特點是每個支撐的阻力或分布范圍，位置以及縱向最大壓力值的增減工作面是動態(tài)的。當延伸到41.74m的高度時，可以聽到屋頂的破裂聲。超過30MPa的支撐件數量從展開時起即達到最大值（25以上），開始破壞巖層，這是工作面上的第一個壓力的開始。由于工作面控制系統(tǒng)的累積統(tǒng)計數據未考慮缺口眼的寬度，并且缺口眼的寬度為8.5m，因此初始壓力階躍的初始值為50.24m。第一次按壓時，51101工作面的平均進給距離為49.94m。加上凹槽的寬度為57.44m。

根據支撐工作面大于30MPa時機架數量的統(tǒng)計數據，繪制時間與機架數量（＞30MPa）的關系。

(3)工作面周期來壓規(guī)律的觀測分析

施加初始壓力后，觀察液壓工作面的支撐阻力和巖壓的工作面的外觀，并在施加壓力5時對工作面線進行5次測量，收集到的支撐載荷觀測數據在周期中施加壓力時，觀察時間為30分鐘60分鐘。在比較工作面5條測量線數據的結果的基礎上，給出了工作面5個壓力循環(huán)的基本情況，如表2所示。

表2 51101工作面周期來壓的統(tǒng)計分析表（單位：m）

由表可知，51101工作面的頂板周期來壓有如下特點：

①工作面中部的壓力相對均勻，壓力級之間的距離相對穩(wěn)定，但是頭尾測量線（尤其是尾部測量線）受出口邊界和階段影響變化很大，并且壓力步距之間的距離變小。一般而言，在兩個安全出口的附近的頂板受到支撐壓力的疊加的影響，雖然壓力頻繁，但是臺階之間的距離變短。后部V線的平均壓力跨距僅為13.3m。

②在工作表面中間的三個測量線（II，III，IV）的支撐載荷的變化可以客觀地反映屋頂上周期性壓力的動態(tài)變化。這三個測量線的周期性壓力階躍的平均值為20.6m，沿著5條大地測量線的步距的總平均值為19.32m。

4.總結

由于工作表面的長度較大，頂板壓力的位置和載荷范圍的增加表現出更大的隨機性，在工作壓力期間，支撐物在整個工作表面上的載荷相對較高。壓力在工作面縱向上的分布如下：頂板壓力最高，支撐載荷最高；中部巖體壓力最高。中間附近的上部區(qū)域上方的巖石中壓力大。中間附近的下部和上部區(qū)域在上方的巖石中壓力大，支撐負荷略小于平均值；當機器的頭部和尾部處于該區(qū)域時，壓力似乎是最弱的，而支撐載荷似乎是最低的。因此，我們必須繼續(xù)研究工作面中的壓力的強度特性，為合理確定支撐框架的阻力類型和支撐方式提供基礎。