0 引 言
放顶煤开采技术自1982年引入我国以来，至今经过35年的发展，因其自身优越性已成为我国开采特厚煤层的主要方法[1-2]。随着综放开采技术与装备的不断提高和完善，近年来放煤高度有不断增加趋势，2016年版《煤矿安全规程》中明确规定，经过专家论证且合格的，特厚煤层综放开采的采放比可以大于1∶3，这样就为20 m以上特厚煤层采用综放技术创造条件[3]。
众所周知，特厚煤层综放开采因其一次采出煤层厚度大，形成大尺度开采空间，只有较高层位岩层才能形成稳定的砌体梁结构，使得综放工作面矿压现象强烈[4-7]。国内外不少专家学者对特厚煤层综放工作面矿压显现规律进行了大量研究，总结得出矿压显现普遍具有来压强度高[8]，动载系数大[9]，安全阀开启频繁[10]，支架经常被压死、立柱被压坏[11]，支架前方易漏顶[12]，工作面中部压力大、两端头压力偏小等特点[13]。其中车禹恒等[14]指出工作面越长、支架所需载荷越大；朱志浩等[15]研究得出工作面推进速度越快、支架所受压力越大、矿压显现越强烈；刘全明等[16]得出基岩厚度越小、支架所受阻力越大、来压步距越小；于雷等[17]研究指出埋深越大、工作面来压步距越小、矿压显现越强烈。而煤层采厚作为综放工作面矿压显现的重要影响因素，目前关于矿压显现与煤层采厚两者关系的研究较少[18-19]，煤层采厚增大时覆岩活动范围随之增大，对于矿压显现是否随煤层采厚增大而无限增大，煤层采厚增大时是否应选取更大阻力支架等问题认识不清。因此极有必要就同等条件下特厚煤层综放工作面矿压显现规律与煤层采厚之间关系展开研究。
1 工程概况
芦子沟煤矿位于晋北矿区，该矿3105工作面采用综合机械化放顶煤开采方式，主采2、3、5号煤层，由于3层煤之间夹矸很薄，所以3层煤联合综放开采。3105工作面采高3 m，倾向长150 m，走向长1 200 m，属近水平煤层，5号煤埋深250～280 m，地表黄土沟壑发育。由于距开切眼510 m处有一沿倾向方向落差达到27.5 m的大断层F16，F16断层以里工作面巷道沿5号煤层底板掘进，2号、3号和5号煤层联合开采，考虑到工作面过F16断层需截割大量矸石，故F16断层以外工作面巷道沿3号煤底板掘进，主采2号和3号煤，丢弃5号煤，而采高3 m保持不变。工作面中部有一钻孔L4，其岩层结构见表1，从岩层结构表中可以看出，断层以里顶煤及夹矸厚度达到27 m，采放比达到1∶9，断层以外顶煤及夹矸厚度为14 m，采放比达到1.0∶4.3，中部液压支架采用ZF10000/18/35型四柱式放顶煤液压支架。
表1 L4钻孔岩层结构
Table 1 Drilling rock structure of L4
序号岩性厚度/m累计厚度/m1黄土层17.3617.362泥质粉砂岩80.0097.363砂质泥岩5.34102.704细砂岩10.18112.885中砂岩10.15123.036粗砂岩9.00132.037细砂岩7.72139.758粉砂岩13.64153.399砂质泥岩7.96161.3510粉砂岩4.10165.4511砂质泥岩14.13179.5812粉砂岩3.00182.5813细砾岩6.10188.6814粉砂岩7.90196.5815粗砂岩3.80200.3816粗砂岩2.93203.3117粉砂岩3.60206.9118粉砂岩6.03212.9419泥岩2.90215.8420中砂岩3.17219.0121砂质泥岩7.46226.4722粗砂岩8.10234.57232号煤2.00236.5724炭质泥岩0.50237.07253号煤14.00251.0726炭质泥岩1.55252.62275号煤11.95264.57
2 综放工作面矿压显现规律
为得到特厚煤层综放开采时矿压显现规律的采厚效应，对芦子沟煤矿3105综放工作面的145～385 m(采厚30 m)和610～750 m(采厚17 m)两个区间的矿压显现进行实测研究。现场实测支架工作阻力采用课题组自主研发生产的CDW-60型支架压力记录仪，循环末阻力提取运用课题组自行开发的KJ21矿压监测系统，选取有代表性的25号、50号、75号支架工作阻力进行矿压显现规律分析，其中50号支架的循环末阻力与其对应的来压判据如图1所示。
从图1可以看出，3105综放工作面有明显周期来压现象，支架动载系数较大，矿压显现规律强烈，现场观测发现周期来压时有支架安全阀大面积开启、片帮加剧等现象，各支架来压情况见表2和表3。
图1 50号支架工作阻力曲线
Fig.1 Working resistance curves of No.50 support
表2 工作面采厚30 m时周期来压情况
Table 2 Periodic weighting condition of working face with 30 m mining height
周期来压顺序25号支架步距/m动载系数50号支架步距/m动载系数75号支架步距/m动载系数19.81.5810.31.7411.11.65210.21.789.61.8110.11.87317.21.8915.91.9515.21.88412.31.6711.61.7510.81.68515.81.6116.41.5817.31.57613.21.7712.11.8111.81.6978.51.827.81.859.21.79811.41.7211.91.7512.31.63
表3 工作面采厚17 m时周期来压情况
Table 3 Periodic weighting condition of working face with 17 m mining height
周期来压顺序25号支架步距/m动载系数50号支架步距/m动载系数75号支架步距/m动载系数112.51.7112.91.7613.61.82212.11.7310.51.819.81.69311.71.6513.21.6712.51.61411.21.7210.11.7910.61.68515.41.7716.81.8815.91.79612.31.7313.11.7712.51.65712.41.5711.71.6713.11.66810.31.8110.71.9112.11.77
由表2和表3可知，特厚煤层综放工作面矿压显现剧烈，周期来压步距为7.8～17.2 m，动载系数为1.58～1.95，明显比普通厚煤层综放工作面大，将采厚30 m和17 m条件下各支架来压情况平均值对比，不同采厚条件下周期来压情况对比统计中可知，采厚30 m时工作面平均周期来压步距为12.28 m，动载系数为1.74；而采厚17 m时平均周期来压步距为12.38 m，动载系数为1.73。从实测矿压数据分析来看，采厚30 m和采厚17 m两种开采条件下，工作面平均支架工作阻力、周期来压步距和动载系数几乎相同，差别不大，而现场矿压观测也未发现异常区别之处。可见两种采厚条件下的工作面矿压显现规律是相似的，综放工作面矿压显现并没有随煤层采厚减小而减弱。即虽然采厚越大开采形成的覆岩垮落空间越大，但并不意味着工作面矿压显现就越强烈，反之亦然。
3 矿压显现影响机理分析
众所周知，特厚煤层综放开采一次采出煤层厚度越大，采空区顶板岩层垮落高度相应越大，自然影响工作面矿压显现的覆岩范围也越大，而普通综放工作面能形成铰接平衡结构的低位基本顶岩层在这里已转化为直接顶岩层。传统意义上普遍认为煤层采厚越大，工作面矿压显现必越强烈，支架载荷和顶板压力也越大。实际上，综放工作面矿压显现是由采场上覆岩层破断运动引起的，覆岩破断特征决定了矿压显现强烈程度，特厚煤层综放工作面煤层采厚不同时，覆岩跨落后形成结构形态也不同，因此本文从覆岩破断后形成采场空间结构入手分析矿压显现影响机理。
3.1 采场覆岩空间结构
为研究特厚煤层综放开采煤层厚度变化时采场上覆岩层结构特征，采用室内二维相似模拟试验方法，试验模拟煤厚17 m和30 m两种条件，而采高为3 m保持不变。相似模拟试验比例1∶300，在垂直方向上直接建至地表，各岩层性质及厚度以L4钻孔柱状图为例，试验材料由骨料与胶结料组成，骨料采用细砂，胶结料采用石灰与石膏。试验要求模拟与实体各对应点的运动情况相似，两种采厚条件下所形成的不同覆岩结构如图2所示。
由图2可知，2种采厚条件下所形成的大空间采场覆岩结构形态存在一定的差异性。采厚17 m时，直接顶跨落后充满采空区，呈悬臂梁状态的直接顶并未与已垮落矸石接触；当采厚30 m时，直接顶厚度和基本顶高度均进一步增大，下位直接顶跨落后未充满采空区，呈悬臂梁结构，而上位坚硬直接顶则未完全垮落，与后方已垮落矸石接触，只有更高层位基本顶岩层才能形成较稳定的铰接岩梁结构。根据相似模拟试验结果，总结可得出两种采厚条件下覆岩结构力学模型如图3所示。
图2 不同采厚条件下形成覆岩空间结构
Fig.2 Overburden structure on the condition of different mining thickness
图3 不同采厚条件下覆岩结构力学模型
Fig.3 Mechanical model of overburden structure on different mining thickness
根据所建立的覆岩结构力学模型，可对直接顶与基本顶的受力进行系统分析。采厚17 m时，直接顶呈悬臂梁状态，其质量由支架全部承担，水平方向上岩块间没有保持力的传递；基本顶呈铰接岩梁状态，其回转变形作用力通过直接顶传递给支架，对综放工作面矿山压力显现将造成明显影响，即呈“直接顶悬臂梁-基本顶铰接岩梁”结构。而采厚30 m时，下位直接顶后方呈悬臂梁状态，其质量由支架全部承担，上位坚硬直接顶悬挂一定长度未垮落，后方由已垮落矸石作支撑，其质量由支架和矸石共同承担，表现出“简支梁”结构；基本顶回转运动的作用力通过直接顶一部分传递给支架，另一部分则传递给采空区已垮落矸石，即最终呈现出“下位直接顶悬臂梁-上位直接顶简支梁-基本顶铰接岩梁”的结构。
3.2 覆岩结构对矿压影响
已知综放支架所受载荷包括顶煤质量与顶板变形压力两部分[20]，支架工作阻力为
P=KdB(Gd+Q)=KdB(Gd+QZ+Qh)
(1)
式中：Kd为动载系数；B为支架中心距，m；Gd为支架上方顶煤质量，kN；Q为支架所受顶板变形压力，kN；Qz为支架上方直接顶质量，kN；Qh为上位基本顶岩层回转变形对支架附加载荷，kN。
从式(1)中可以看出，相同型号的综放支架工作阻力是由动载系数、顶煤质量、直接顶质量以及基本顶岩层回转变形附加载荷等因素共同所决定的。前文分析指出，煤层采厚17 m和采厚30 m两种开采条件下支架平均循环末阻力接近，综放工作面矿压显现规律相似，原因在于2种开采条件下所形成的采场覆岩空间结构决定的。当煤层采厚30 m时，影响支架工作阻力的各因素作用情况为，首先因顶煤厚度增加导致支架上方顶煤质量Gd变大；其次，虽然直接顶总厚度和范围增大，但只有下位直接顶质量由支架全部承担，而上位坚硬呈简支梁结构的直接顶质量仅部分由支架承担，故总体支架上方直接顶质量Qz并无增大；最后基本顶回转变形作用力向下传递时，经上位直接顶一部分传递给采空区垮落矸石，仅有部分附加载荷传递给支架，再加上较厚顶煤和直接顶对基本顶回转变形作用力的缓冲，导致Qh的值并无增大，周期来压时同样因顶煤和直接顶的缓冲作用，动载系数Kd也无增大。
综上所述，煤层采厚30 m时，虽然顶煤质量Gd增加，但因上位坚硬直接顶呈现简支梁结构，导致直接顶质量Qz和顶板回转变形作用力Qh的值不增反减，进而支架工作阻力P并无增大趋势，因此综放工作面矿压显现规律表现出一定相似性，并没有随煤层厚度的增大而变得强烈。
4 结 论
1)现场实测结果表明特厚煤层综放工作面煤层采厚分别为17 m和30 m时，综放工作面矿压显现规律表现出一定的相似性，并没有随煤层采厚的增大而变得愈加强烈。
2)物理相似模拟试验得出，煤层采厚30 m时的上位坚硬直接顶后方由已垮落采空区矸石作支撑，而以简支梁状态存在，总体呈“下位直接顶悬臂梁-上位直接顶简支梁-基本顶铰接岩梁”的结构。
3)特厚煤层综放工作面矿压显现呈现这种规律性的原因在于，不同采厚条件下形成采场覆岩空间结构的差异性，采厚30 m时上位直接顶以简支梁结构存在，导致直接顶和基本顶回转变形对支架作用力不增反减。
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