0 引 言
作为赋存条件优良且易于实现高产、高效的厚及特厚煤层为我国煤炭工业的效益保持提供了重要支撑。我国厚煤层储量及产量约占全国煤炭储量及产量的40%～46%，目前厚煤层开采已是我国实现安全高效开采的主力技术，我国千万吨级的矿井均以厚煤层开采为主。其中，大采高一次采全厚开采方法由于产量大、效率高、煤损少、含矸率低、工艺流程简单等优点已成为我国3.5～8.0 m中硬及以上厚煤层实现高效开采的主要技术选择[1-3]。在神东矿区针对厚煤层一次采全高、快速推进工作面生产技术条件下的开采进行了大量覆岩破坏实测及部分理论分析，并对浅埋深大采高矿压显现规律进行了一定的研究[4-8]。通过对已有文献资料分析，目前针对大柳塔、上湾和榆家梁等中心区部分矿井的研究相对较为深入，但位于神东矿区北部区的布尔台、寸草塔等煤矿相关研究较少，特别是曾经发生过的严重影响大采高综采效能并导致转变采煤工艺的异常矿压其影响因素的研究相对较少，大采高采煤法及大采高液压支架适应性问题的研究是神东矿区厚煤层安全、高效开采急需解决的问题，笔者以大采高生产过程中出现的顶板控制及支架适应性问题为切入点，分析大采高综采异常矿压的影响因素，可为大采高综采支架围岩关系的研究及开采效率的提升提供有力保障。
1 神东矿区大采高综采矿压显现实测及支架适应性评价
布尔台、寸草塔等矿井，煤层埋深明显增加，顶底板岩性明显松软且破碎，开采布局与采掘接替等与大柳塔、补连塔等中心区矿井不同，因此回采工作面和巷道矿压显现强烈、巷道底鼓和冒顶严重，严重影响工作面快速推进和高产高效生产，制约了矿井建设的健康、高速发展[9-11]。
1.1 工作面地质和开采条件
在神东矿区选取3个有代表性的大采高综采工作面进行矿压显现规律的现场实测，3个矿井工作面设计采高5.0～6.8 m，回采工作面煤层柱状图及设备配置基本情况见表1和图1。
表1 神东矿区大采高综采工作面设备
Table 1 Fully-mechanized equipments of large mining height working face in Shendong Mining Area
工作面设备配置及参数液压支架采煤机补连塔22303工作面ZY16800/32/70两柱掩护式液压支架,支架中心距2 050 mm,支护强度1.39～1.44 MPa7LS7-629型双滚筒采煤机,采高为6.0～6.8 m,滚筒直径为3 450 mm,滚筒截深为865 mm榆家梁42212工作面布尔台42102-1工作面ZY10800/28/63两柱掩护式液压支架,支架中心距1 750 mm,支护强度1.07～1.21 MPaSL1000型双滚筒采煤机,采高为5.0～6.0 m,滚筒直径为3 200 mm,滚筒截深为865 mm
神东矿区不同区域煤层赋存条件存在着较大差异，位于中心区的补连塔和榆家梁煤矿工作面埋深小于250 m，具有浅埋深矿井的特点，位于北部区的布尔台煤矿埋深超过400 m，具有中等埋深之特点；各矿井基岩厚度差别较大，同矿井不同位置基岩变化也存在差异，具有各矿井相异及同矿井不同区域相异特征。
1.2 矿压实测结果及支架-围岩关系分析
工作面矿压实测通过压力传感器记录的立柱载荷数据，在工作面上、中和下部各布置1个测点进行数据采集并整理绘制支架工作阻力变化曲线。
1.2.1 神东矿区中心区大采高工作面矿压实测
在补连塔22303工作面35号、75号、115号支架和榆家梁42212工作面35号、85号和135号支架各设立1个测点，观测期内22303工作面、42212工作面分别累计推进约180 m，平均日推进13刀和10刀，支架工作阻力曲线如图2所示。
由支架工作阻力观测得出：补连塔和栓家梁矿压显现较平缓，22303工作面上、中、下测点来压步距为15.5、14.5、13.0 m，平均14.3 m，42212工作面对应部位来压步距为11.9、10.5、11.8 m，平均11.4 m，安全阀开启率约1%，片帮和冒顶大部分小于100 mm，未对生产造成明显影响，大采高优势明显。
1.2.2 神东矿区北部区大采高工作面矿压实测
1)支架工作阻力实测。在工作面上、中和下部35号、95号和135号支架处布置工作阻力监测站。实测数据如图3所示[12]。
图1 煤层柱状图
Fig.1 Coal seam histogram
布尔台煤矿支架工作阻力曲线分析得知：直接顶初次来压时工作阻力为8 279 ～9 753 kN，平均8 845 kN，动载系数为1.33；基本顶初次来压时工作阻力为8 306 ～10 141 kN，平均9 030 kN，动载系数为1.10；正常回采阶段基本顶周期来压时工作阻力10 968～11 264 kN，平均11 077 kN，动载系数为1.22，支架工作阻力超出其额定工作阻力2.6%，支架超限比例51.6%，周期来压步距7.8 m。
图2 补连塔22303工作面和榆家梁42212工作面支架工作阻力变化曲线
Fig.2 Curve of working resistance of No.22303 working face support in Bulianta Coal Mine and No.42212 working face support in Yujialiang Coal Mine
由此可知工作面来压强度大，来压频率高，支架不能满足周期来压时对顶板控制的要求。
2)宏观矿压实测。工作面煤壁片帮和冒顶频繁，煤壁片帮平均在1 000 mm以上，最大2 000 mm以上，基本冒顶高度1.0～2.2 m，最大冒顶高度8.0 m，冒顶范围大于10个支架宽度，严重影响工作面产量和安全。采用最大采高为6.2 m的大采高综采支架，开采过程中，平均采高只能达到5.2 m，工作面回采率76%；另回采巷道矿压显现十分剧烈，巷道经过3次以上的加强支护仍然不能满足使用要求[12]。
1.3 液压支架适应性评价
液压支架是综采工作面三机装备的核心，要想保证安全、高产和高效首先应保证液压支架的适应性，支架适应性能够代表采煤方法与装备的整体适应性，液压支架要支得住，走得动，这是综采系统的核心[13-16]，但目前对于液压支架的适应性评价并没有一个统一的标准及定量的评价体系，下面将结合神东矿区不同矿压类型支架使用效果的分析并用定量的方式对支架适应性进行评价。
液压支架的主要作用有3个方面：①支：支撑顶板，控制顶板下沉；②护：护煤壁，防冒顶；③采：与采煤机、刮板输送机等装备相互配合发挥采煤方法的优势，实现高产、高效。
图3 布尔台42102-1工作面支架工作阻力变化曲线
Fig.3 Working resistance curves of No.42102-1 working face support of Buertai Coal mine
3个因素对支架适应性的影响程度是不一致的，为了综合分析各因素对支架适应性的影响，又便于现场工程技术人员对支架适应性进行定量评价，采用模糊数学的方法分别对各因素进行研究，最终基于液压支架的3个主要作用建立“三因素指标体系”对液压支架适应性进行评价[12]。
根据已有现场支架实际使用效果研究，各影响因素的重要程度由大到小排列为：支>护>采，其中液压支架对顶板的支撑作用可以通过3个指标进行考核，即顶板下沉量、来压强度(支架超限比例)和来压频率，各影响因素重要性程度以“权重”表示，见表2。
为定量分析各影响因素对支架适应性的作用，引入隶属度μ，各影响因素隶属度μ赋值见表3。则支架适应性综合隶属度μ：
式中：Ai为第i项影响因素所占权重；ui为第i项影响因素隶属度赋值。
表2 支架适应性影响因素权重分配
Table 2 Influence factors weight allocation of hydraulic support adaptability
因素支护顶板下沉量支架超限比例来压频率片帮冒顶采权重Ai0.250.250.050.200.200.05
根据隶属度值不同范围，可将支架适应性分为五大类，见表4。
表3 不同影响因素隶属度值
Table 3 Membership values of different influencing factors
顶板下沉量/mm≤100100～250251～400≥401片帮/mm≤100101～300301～500≥501隶属度μ10.950.800.600.20隶属度u40.950.800.600.30支架超限比例/%≤55～1515～25≥25冒顶范围/mm≤100101～400401～600≥601隶属度u20.950.800.600.40隶属度u50.950.800.600.30来压频率/(次·d-1)≤0.50.5～1.01.0～2.0≥2生产效率/(m·d-1)>a0.8a～a0.5a～0.8a≤0.5a隶属度μ60.500.450.400.30隶属度u61.00.900.750.40
注：a为作业规程规定日进尺。
表4 支架适应性分类
Table 4 adaptability classification of hydraulic support
μ0.85～1.000.75～0.850.65～0.750.50～0.65<0.50支架适应性优良一般差极差
根据现场实测布尔台煤矿μ1～μ6分别取值为0.6、0.4、0.3、0.3、0.3和0.4，则
即支架适应性为极差；补连塔煤矿和榆家梁煤矿μ1～μ6分别取值为0.8、0.95、0.5、0.80、0.80和1.00，则
支架适应性为良。
2 矿压显现规律分析
通过对神东矿区不同大采高矿井现场实测研究发现虽然同处神东矿区且均采用大采高综采一次采全高采煤方法，但不同区域矿井生产效率、矿压显现等方面截然不同，对比见表5。
补连塔、榆家梁等煤矿大采高工作面矿压基本在正常可控范围内，支架适应性定量评价为良，能有效发挥大采高高产高效优势属于正常矿压；布尔台42102-1工作面矿压显现异常剧烈，来压强度大，来压频率高，煤壁片帮和工作面冒顶格外严重[12]，支架适应性定量评价为极差，不能保证国家厚煤层工作面回采率要求，严重影响大采高综采工作面生产效能甚至必须改变工作面采煤方法，将此种矿压定义为异常矿压。
3 异常矿压成因分析
通过对神东矿区3个有代表性矿井的大采高综采工作面的现场实测，初步摸清神东矿区大采高矿压存在正常矿压和异常矿压两种不同类型。神东矿区工作面开采后存在不同矿压显现类型的成因是多方面的，下面只作初步探讨。
1)顶板条件。布尔台工作面煤层顶板以砂质泥岩为主，节理构造发育，岩体完整性差，容易发生冒落，厚度8.2～35.0 m，平均19.4 m，普氏系数3.06～7.09，抗压强度20.29～29.91 MPa，平均25.1 MPa，布尔台矿与补连塔矿顶板岩心对比如图4所示，由图可知布尔台煤矿顶板的取心率较低，顶板的完整性较差。
图4 布尔台煤矿与补连塔煤矿顶板岩心对比
Fig.4 Comparison of core of the top of Boertai Mine and Bulianta Mine
2)开采布局及采空区“孤岛”煤柱。布尔台煤矿各可采煤层层间距较小，属于近距离煤层群开采，4-2煤层距上部2-2煤层间距20～30 m，42102-1工作面在开采前其顶板经受了22101工作面、22102工作面采动的影响，相邻工作面超前支承压力及回采巷道掘进多次采动影响。其中22102工作面主运巷保护煤柱在42102工作面内侧约20 m，当护巷煤柱两侧采空时，此时的煤柱便形成了“孤岛”煤柱，此时作用在煤柱上的力来自煤柱上覆岩层的载荷和煤柱两侧采空区悬露岩层转移到煤柱上的部分载荷所引起，如图5所示。
图5 42102-1工作面与上覆采空区层位关系
Fig.5 Horizon relationship No.42102-1 working face and overlying goaf layer
图6 “孤岛”煤柱下方不同位置垂直应力分布曲线
Fig.6 Vertical stress distribution curves at different locations below the “island” coal pillar
该“孤岛”煤柱像大桥的桥墩一样把上方的固定支承应力集中向下传递[17-18]。由于4-2煤顶板强度较低、裂隙发育、完整性较差，加之上部2-2煤层的采动影响，造成2-2煤底板即4-2煤顶板的围岩应力重新分布，致使围岩裂隙进一步扩大、贯通，更加降低了其完整性。
通过数值模拟建立模型分析得知：煤柱下方底板岩层与煤柱垂距大于20 m时，应力沿煤柱中心线向煤柱边缘方向递减，最大集中应力在煤柱中心线附近，应力分布呈现“钟形”；煤柱下方底板岩层与煤柱垂距小于20 m时，应力沿煤柱中心线向煤柱边缘方向递增，在煤柱边缘附近出现两个峰值，随着与煤柱边缘距离的增加应力再次递减，应力分布呈现“马鞍形”。
3)复杂地质构造。布尔台煤矿原地质详查报告矿井为构造简单类型，但在开采中揭露中小型层滑断层和高角度的正断层10条[19]，断层造成顶底板和煤层裂隙发育、结构破碎、岩性脆弱，进一步降低了顶底板和煤层的完整性；由于顶板砂岩或砂质泥岩和煤层中裂隙发育，在滑动变形过程中煤呈固流状态被挤入砂岩裂隙而形成煤刺构造。同时，砂岩沿裂隙的尖端进入煤层，并与煤层一起发生塑性流变，形成岩楔构造。煤层中夹矸则被拉断呈岩块，斜列式分布，煤层的完整性因为此种构造的存在变的非常脆弱，在采动的影响下极易发生塑性变形，发生大面积冒顶和片帮，如图7所示。
图7 煤刺和岩楔构造
Fig.7 Coal spur and rock wedge structure
4 结 论
1)通过现场实测得出补连塔22303工作面和榆家梁42212工作面矿压显现缓和，平均14.3、11.8 m，工作面来压期间压力较小，偶有安全阀部分开启，超限比例低于1%，片帮和冒顶大部分小于100 mm，大采高优势明显；布尔台煤矿支架超限比例51.6%，周期来压步距7.8m，来压强度大，来压频率高，工作面煤壁片帮和冒顶频繁，煤壁片帮平均在1 000 mm以上，基本冒顶高度1.0～2.2 m，严重影响工作面产量和安全。煤层厚度6.7 m，实际采高5.2 m，工作面回采率77.6%；另回采巷道矿压显现十分剧烈，巷道经过3次以上的加强支护仍然不能满足使用要求。
2)通过“三因素指标体系”确定支架适应性综合隶属度对液压支架适应性定量评价，补连塔和榆家梁大采高支架适应性为良，布尔台煤矿大采高支架适应性为极差，造成布尔台煤矿必须改变采煤方法的矿压定义为异常矿压。
3)通过对煤层赋存及开采条件进行综合分析可知开采布局、采空区“孤岛”煤柱和复杂地质构造是异常矿压的主要成因。
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