0 引 言
大采高综采技术在我国发展迅速，从目前割煤高度的发展趋势看，大致可以划分为2类：采高3.5～6.5 m的常规大采高综采和采高大于6.5 m的超大采高综采[1]。神东矿区厚及特厚煤层储量丰富，其中6.0 m以上煤层总地质储量为26.6亿t(其中7.0 m以上9.76亿t，8.0 m以上3.5亿t)，这类煤层大多具有埋藏浅、倾角小、硬度大、易自燃、赋存稳定、地质构造简单的特点，适合采用大采高和超大采高综采技术[2-3]。神东矿区自本世纪初期引入大采高综采技术以来，大采高综采工作面采高从4.5 m，逐步发展到5.5、6.3、7.0、8.0 m，工作面单产也屡创新高[4-5]。尤其是补连塔煤矿8.0 m超大采高综采的成功应用，将大采高综采工作面单产提高到1 500万t/a，证明了8.0 m超大采高综采技术在神东矿区应用的可行性，为上湾煤矿8.8 m 超大采高综采工作面的回采提供了可借鉴的经验 [6]。2018年3月份，神东上湾煤矿8.8 m超大采高工作面成功投产，再次刷新大采高综采工作面一次采全高的世界纪录，工作面单产能力提升到1 600万t/a，并且主要综采设备全部实现国产化，标志着神东公司乃至我国大采高综采技术和装备水平达到了新高度。神东矿区浅埋煤层开采过程中普遍矿压显现强烈[7]，随着超大采高工作面采高和开采强度的加大，工作面矿压显现更为强烈，发生片帮冒顶、倒架、压架事故的风险增大[8]，因此，顶板灾害是8.8 m超大采高工作面潜在的主要灾害。我国学者对8.0 m以下大采高工作面的矿压规律和覆岩结构等做了较多的研究[9-12]，在8.8 m超大采高工作面投产之前也已经做了一定理论性的研究工作[13-15]，但是8.8 m超大采高工作面矿压规律的实测研究目前还尚属空白。基于现场实测对上湾煤矿8.8 m超大采高工作面矿压显现规律进行了研究，并分析了其来压机理，以期指导工作面安全生产，并为超大采高工作面矿压预测预警技术研究提供实测依据。
1 工程概况
12401综采工作面是上湾煤矿四盘区首采工作面，开采1-2煤层，埋深124～244 m，上覆松散层厚度0～27 m，基岩厚度120～220 m。煤层厚度7.56～10.79 m，平均9.26 m，倾角1°～5°，煤层普氏系数f=2～4，煤层节理裂隙不发育，完整性好，硬度大、韧性高。工作面直接顶为厚8 m的砂岩与粉砂质泥岩互层，底板为厚0.96～1.29 m泥岩。
12401工作面采用大采高综采一次采全高工艺，设计采高为8.6 m，工作面宽度299.2 m，走向长度5 254.8 m。工作面设备配套见表1。工作面液压支架型号为ZY26000/40/88D型两柱掩护式液压支架，是目前国内工作阻力最大、支撑高度最高的综采液压支架，并配备大流量乳化液泵站，支架中心距为2.4 m，采用三级护帮，端头支架过渡形式采用垂直过渡。
表1 12401工作面设备
Table 1 No.12401 working face equipment matching
设备生产厂家设备型号主要技术参数采煤机天地科技股份有限公司MG1100/2925-WD总功率2 925 kW,供电电压3 300 V,滚筒直径4 300 mm,滚筒截深865 mm,生产能力6 000 t/h液压支架郑煤机ZY26000/40/88D两柱掩护式,额定工作阻力26 000 kN,支架中心距2 400 mm刮板输送机江苏天明机械集团有限公司SGZ1388/3×1600KW功率3×1 600 kW,链速1.67 m/s,运输能力6 000 t/h,输送机槽尺寸(长×内宽×高):2 400 mm×1 388 mm×495 mm转载机江苏天明机械集团有限公司SZZ1588/700KW槽内宽1 576 mm,运输长度38.8 m,电机功率700 kW乳化液泵站北京华海基业机械设备有限公司—额定压力37.5 MPa,额定流量1 350 L/min,电机功率1 000 kW
2 8.8 m超大采高工作面矿压显现规律
2.1 初次来压规律
12401工作面开切眼高6 m，宽11.4 m，开采初期采用深孔预裂爆破进行强制放顶。当工作面推进至22 m时，除机头机尾外，工作面直接顶基本全部垮落。工作面推进45 m时，支架压力明显升高，基本顶初次来压，来压持续距离约5 m(6刀)。基本顶初次来压期间工作面各支架压力如图1所示，30～95号支架压力普遍超过了40 MPa，最高达到了49～51 MPa，支架安全阀开启率达到24%。工作面初次来压期间，煤壁受压变酥，在采煤机滚筒附近片帮严重，回收护帮板时，有片帮煤大面积掉落现象。
图1 工作面基本顶初次来压期间支架压力分布
Fig.1 Distribution of support pressure during initial pressure main roof on working face
2.2 周期来压规律
在2018年5月—10月工作面正常回采期间，通过支架压力在线监测系统历史数据分析并结合现场观测，对12401工作面周期来压特征进行了长期的统计分析，共分析了100多个周期来压过程，12401工作面正常回采一段时期内支架压力如图2所示，支架最大压力37.7～52.0 m，平均46.3 m。
图2 12401工作面正常回采期间支架压力
Fig.2 Three-dimensional distribution of support pressure during normal mining of No.12401 working face
分析得出12401超大采高工作面周期来压主要有以下特征：
1)周期来压步距短，持续时间长。8.8 m超大采高工作面周期来压步距8.5～21.4 m，主要分布在10～16 m，平均13.5 m，，正常回采期间工作面推进速度较快，来压频繁，每1～2 d就有一次来压过程；周期来压持续长度为1.6～6.4 m，平均3.7 m。
2)周期来压区域性明显。周期来压开始时通常在工作面中部的支架首先出现压力陡增现象，并从工作面中部扩散到两侧。来压影响范围主要分布在30—100号支架，工作面中部矿压显现强烈，而机头机尾两侧支架很少受来压影响，矿压显现始终缓和。
3)工作面动载矿压强烈。工作面周期来压动载系数统计见表2。工作面周期来压期间各支架末阻力为22 455～26 340 kN，平均25 172 kN；非来压期间各支架末阻力为15 134～16 052 kN，平均15 807 kN；动载系数为1.48～1.66，平均1.60；来压期间支架末阻力明显高于非来压期间支架末阻力，动载矿压强烈。
4)来压特征显著。工作面周期来压期间各支架循环增阻情况见表3，支架平均循环增阻量界于8 392～11 608 kN，平均为10 636 kN，循环增阻率界于59.67%～79.18%，平均为73.09%，周期来压期间支架增阻显著。而在非来压期间支架增阻不明显，阻力变化呈恒阻或微增阻状态，支架平均循环增阻率仅为9%左右。支架不同时刻(2018年7月8日—9日)增阻特征如图3所示，呈现出工作面来压期间矿压显现强烈，而非来压期间矿压显现却异常平缓的特征。
图3 支架不同时刻增阻特征
Fig.3 Resistance increasing characteristics of supports in different periods
5)工作面宏观矿压显现强烈。工作面周期来压期间多出现支架安全阀开启现象，开启率为3%～24%，平均为12%左右；支架活柱下缩明显(2018年10月20日—21日)如图4所示，下缩量20～150 mm，平均为40 mm左右；煤壁炸帮、片帮现象明显增多，最大片帮深度达到1.5 m。
表2 工作面周期来压数据统计
Table 2 Statistics of dynamic load coefficient during periodic weighting of working face
支架编号30405060708090100来压期间支架末阻力/kN22 45524 59026 34026 27326 24426 25724 67424 542非来压期间支架末阻力/kN15 13415 80816 05215 87615 97215 85815 93515 817动载系数1.481.581.641.651.641.661.551.55
表3 工作面周期来压期间各支架循环增阻情况统计
Table 3 Statistics on cyclic increase of resistance of supports during periodic weighting of working face
支架参数30405060708090100平均初撑力/kN14 06314 06814 78314 66514 64714 89614 63514 533循环增阻量/kN8 39210 52211 55711 60811 59711 36110 03910 009循环增阻率/%59.6774.7978.1879.1579.1876.2768.6068.87
图4 12401工作面支架压强与高度变化关系
Fig.4 Relation curves between support pressure and height in No.12401 working face
2.3 支架适应性分析
支架工作阻力区间分布反映支架的工作状态和工作阻力利用情况，可以判断支架的适应性。统计12401工作面正常回采期间支架整体工作阻力区间分布如图5所示。支架工作阻力主要分布在14 000 kN以上，该比例为94.78%，支架工作阻力利用比较充分；支架工作阻力在26 000 kN以上的比例平均为3.6%，支架安全阀开启率在合理范围内；整体而言，支架工作阻力区间分布合理，支护性能发挥充分，具有较好的适应性，支架选型合理。
图5 12401工作面支架工作阻力区间分布
Fig.5 Histogram of frequency distribution of support working resistance in No.12401 working face
3 工作面来压机理分析
基于12401工作面顶板观测钻孔得出的上覆岩层结构划分见表4。根据关键层判别准则[16]，对工作面上覆岩层关键层进行了判定。在关键层的运动过程中，其所控制上覆岩层随之同步运动，而其下部岩层不与之协调变形，它所承受的载荷已不再需要其下部岩层来承担，因而可根据公式(1)依次计算第n层岩层对第m层岩层的载荷(n>m)。
(1)
式中：qm|n为第n层对第m层载荷，kN；Em、Ei为分别第m、i层弹性模量，MPa；hm、hi分别为第m、i层厚度，m；γi为第i层岩石容重，kN/m3。
如果qm|n+1<qm|n，则认为第n+1层为坚硬岩层，否则继续计算第n+2层对第m层的载荷。
表4 12401工作面上覆岩层结构划分
Table 4 Classification of overburden strata structure on No.12401 working face
地层序号岩性厚度/m备注C16风积沙与亚黏土22表土层C15粉砂质泥岩互层42泥质岩层C14粗砂岩7C13泥质粉砂岩与细砂岩互层11C12细砂岩4C11粉砂岩7C10中砂岩5C9泥质粉砂岩14软质砂岩层C8钙质中砂岩6C7粉砂岩4C6粗砂岩6硬质砂岩层C5粉砂质泥岩与细砂岩互层12泥质岩层C4石英细砂岩4C3粗砂岩4C2粗砂岩12组合关键层C1砂岩与砂质泥岩互层8直接顶—1-2煤9.26煤层
根据坚硬岩层载荷判据，并结合上湾煤矿及神东矿区同类岩层物理力学性质测试结果[17]，得出C2、C8、C11、C14为坚硬岩层。
采用公式(2)对第i层坚硬岩层周期性垮断步距进行计算：
(2)
式中：Li为第i层坚硬岩层周期性垮断步距，m；h为岩梁厚度，m；Rt为岩体抗拉强度，MPa；qi为第i层岩体所受载荷，MPa。
各坚硬岩层的周期垮断步距计算结果见表5。因为L14<L11<L8<L2，所以C2、C8、C11、C14同时垮断，因此，C2岩层为工作面基本顶，同时是控制上覆岩层运动的关键岩层，工作面上方岩层呈单一关键层结构。将上方各坚硬岩层所承载载荷全部作用在C2岩层上，根据式(2)重新计算12401工作面基本顶周期垮断步距Lz=12.0 m。这与工作面周期来压步距实测结果基本相符。
表5 各坚硬岩层周期垮断步距计算
Table 5 Calculations of periodic break intervals of hard rock strata
层位C2C8C11C14岩体抗拉强度Rt/MPa4.855.622.771.14岩层载荷qi/MPa6.701.460.910.15周期垮断步距Li/m17.713.211.210.4
C2～C4粗砂岩与石英细砂岩层位相邻、岩性相近且岩层厚度大、强度高，可形成控制上覆岩层运动的组合关键层[18]。往上依次为强度较低的泥质岩层(总厚12 m，主要为粉砂质泥岩与细砂岩互层)、强度较高的硬质砂岩层(总厚16 m，主要由粗砂岩、粉砂岩和钙质中砂岩组成)、强度较低的软质砂岩层(总厚48 m，以粉砂岩为主)和泥质砂岩层(总厚42 m，主要为粉砂质泥岩互层)，以及表土层(总厚22 m，由风积沙和亚黏土组成)。由于成岩年代的不同，岩层从下至上总体呈现强度逐步降低的趋势，工作面下位顶板岩层(64 m深度以下)主要为砂质岩层，上位岩层逐渐转变为泥质岩层，且风化程度高，岩层强度低。软质砂岩层、泥质岩层、表土层由于岩层强度低，承载能力较弱或无承载能力视为载荷层，硬质砂岩层和C2～C4组合关键层岩层强度较高，承载能力强，视为承载岩层。根据关键层稳定性判断准则[19]，C2～C4关键层下方直接顶厚度薄，易发生滑落失稳，难以形成稳定的铰接结构，因此以悬臂梁的结构形式存在[20-21]，工作面上方能够形成稳定铰接结构的基本顶岩层上移至C6～C8硬质砂岩层。
根据12401工作面顶板结构进行分析，认为8.8 m超大采高工作面矿压显现强烈的机理主要有以下3点：①8.8 m超大采高工作面采出空间大，且开采强度高，导致顶板活动剧烈，是工作面来压期间矿压显现强烈的直接诱因。②直接顶厚度薄，采空区充填不充分，基本顶(C2～C4组合关键层)难以形成稳定的铰接结构，顶板垮断前呈悬臂梁结构形式，且上覆基岩层以砂岩为主，强度高、脆性大，在发生破断前弯曲下沉量较小，因此，在工作面非来压期间支架无明显增阻，而当下位基本顶达到极限破断步距发生破断后，对工作面支架产生较大的冲击载荷，工作面来压显著。③浅埋煤层关键层结构简单(多呈单一关键层或双关键层结构[22])，根据12401工作面周期来压特点及覆岩结构分析，工作面顶板主要呈现单一关键层结构。关键层上方的软弱岩层和松散层的残余载荷直接作用在其上，导致关键岩层破断步距小，当层位较低的关键层破断后，引发上方岩层的整体性破断[23]，使工作面来压强烈。
4 结 论
1)8.8 m超大采高工作面直接顶初次垮落步距为22 m，基本顶初次来压步距为45 m左右，工作面周期来压步距平均为13.6 m，周期来压动载系数平均为1.6，其中工作面中部动载系数平均达到1.65，矿压显现强烈。
2)8.8 m超大采高工作面周期来压具有来压步距短、持续时间长、来压区域性明显、动载矿压强烈、来压特征显著、宏观矿压显现强烈等特点。
3)工作面支架工作阻力主要分布在14 000 kN以上区间，比例为94.78%，支架工作阻力利用较充分，工作阻力在26 000 kN以上的比例平均为3.6%，支架安全阀开启率在合理范围内；支架工作阻力区间分布合理，适应性较好。
4)工作面开采强度大、顶板活动剧烈，单一关键层结构层位低、易滑落失稳、上覆顶板整体性破断，是造成浅埋深超大采高工作面矿压显现强烈的主要原因。
[1] 吴凤东.大海则煤矿大采高综采技术适应性研究[D].北京：北京科技大学，2015.
[2] 王国法，庞义辉.8.2 m超大采高综采成套装备研制及应用[J].煤炭工程，2017,49(11) :1-5.
WANG Guofa,PANG Yihui.Development and application of complete equipment for fully mechanized mining with 8.2m super large mining height[J].Coal Engineering,2017,49(11) :1 -5.
[3] 孟宪锐，王鸿鹏，刘朝晖，等.我国厚煤层开采方法的选择原则与发展现状[J].煤炭科学技术，2009,37(1):39-44.
MENG Xianrui,WANG Hongpeng,LIU Chaohui,et al.Selection principle and development status of thick seam mining methods in China[J].Coal Science and Technology,2009,37(1):39-44.
[4] 杨俊哲.7.0 m 大采高工作面覆岩破断及矿压显现规律研究[J].煤炭科学技术，2017，45(8) :1-7.
YANG Junzhe.Study on overlying strata breakage and strata behaviors law of 7.0 m mining height working face[J].Coal Science and Technology,2017,45(8) :1-7.
[5] 范文胜.超大采高工作面回采关键技术研究[J]．煤炭工程，2018，50(7):1-4．
FAN Wensheng.Research on key mining technology of super high mining face[J].Coal Engineering,2018,50(7):1-4．
[6] 杨俊哲.8 m大采高综采工作面关键回采技术研究[J].煤炭科学技术，2017，45(11):9-14.
YANG Junzhe.Research on key mining technology of fully-mechanized working face with 8 m large mining height[J].Coal Science and Technology,2017,45(11):9-14.
[7] 黄庆享.浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义[J].岩石力学与工程学报,2002,21(8)：1174-1177.
HUANG Qingxiang.Ground pressure behavior and definition of shallow seams[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2002,21(8)：1174-1177.
[8] 黄庆享，周金龙.浅埋煤层大采高工作面矿压规律及顶板结构研究[J]．煤炭学报，2016，41(S2):279-286．
HUANG Qingxing,ZHOU Jinlong.Roof weighting behavior and roof structure of large mining height longwall face in shallow coal seam[J].Journal of China Coal Society,2016,41(S2):279-286．
[9] 庞义辉，王国法，张金虎，等.超大采高工作面覆岩断裂结构及稳定性控制技术[J].煤炭科学技术，2017，45(11):45-50.
PANG Yihui,WANG Guofa,ZHANG Jinhu,et al.overlying strata fracture structure and stability control technology for ultra large mining height working face[J].Coal Science and Technology,2017,45(11):45-50.
[10] 张立辉，李男男.8 m大采高综采工作面矿压显现规律研究[J].煤炭科学技术，2017，45(11):21-26.
ZHANG Lihui ,LI Nannan.Study on strata behavior law of fully-mechanized mining face with 8 m large mining height[J].Coal Science and Technology,2017,45(11):21-26.
[11] 梁运培，李 波，袁 永，等．大采高综采采场关键层运动型式及对工作面矿压的影响[J].煤炭学报，2017，42(6):1380-1391．
LIANG Yunpei,LI Bo,YUAN Yong,et al．Moving type of key strata and its influence on ground pressure in fully mechanized mining face with large mining height[J]．Journal of China Coal Society,2017,42(6) :1380-1391.
[12] 李瑞群，陈苏社.浅埋深7 m大采高综采工作面顶板灾害防治技术研究[J].煤炭工程，2017，49(S2) :9-13．
LI Ruiqun,CHEN Sushe.Research on roof disaster prevention technology of shallow buried 7m high-cutting fully mechanized working face[J].Coal Engineering,2017，49(S2) :9-13．
[13] 王海军.神东矿区8 m以上超大采高综采工作面技术探讨[J].煤炭技术，2017,33(10)：169-171.
WANG Haijun.Technology study of fully mechanized working face over 8 m of shendong coal mine[J].Coal Technology,2017,33(10)：169-171.
[14] 徐 涛，贺海涛．地表沟谷对上湾煤矿超大采高工作面矿压显现规律影响分析[J]．中国煤炭，2017,43(7):49-54.
XU Tao,HE Haitao.Analysis of the influences of surface gully on rock Pressure behavior in working face with larger mining height in Shangwan Coal Mine[J].China Coal,2017,43(7):49-54.
[15] 张宏伟,周坤友,付 兴,等.特大采高工作面矿压显现规律[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2018,37(1):1-6.
ZHANG Hongwei,ZHOU Kunyou,FU Xing,et al.Strata behavior characteristics of super large mining height working face[J].Joumal of Liaoning Technical University:Natural Science,2018,37(1):1-6.
[16] 钱鸣高,缪协兴,许家林.岩层控制中的关键层理论研究[J].煤炭学报，1996,21(3)：225-229.
QIAN Minggao,MIAO Xiexing,XU Jianlin.Theoretical study of key stratum in ground control[J].Journal of China Coal Society,1996,21(3)：225-229.
[17] 李化敏，李回贵，宋桂军，等.神东矿区煤系地层岩石物理力学性质[J].煤炭学报，2016,41(11):2661-2671．
LI Huamin，LI Huigui，SONG Guijun，et al．Physical and mechanical properties of the coal-bearing strata rock in Shendong coal field[J]．Journal of China Coal Society， 2016,41(11):2661-2671.
[18] 缪协兴,茅献彪,孙振武,等.采场覆岩中复合关键层的形成条件与判别方法[J].中国矿业大学学报,2005,34(5):547-550.
MIAO Xiexing,MAO Xianbiao,SUN Zhenwu,et al.Formation conditions of compound key strata in mining overlayer strata and its discriminance[J].Journal of China University of Mining & Technology,2005,34(5):547-550.
[19] 钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010.
[20] 闫少宏，尹希文，许红杰，等．大采高综采顶板短悬臂梁-铰接岩梁结构与支架工作阻力的确定[J]．煤炭学报，2011，36(11)：1816-1820．
YAN Shaohong，YIN Xiwen，XU Hongjie，et al.Roof structure of short cantilever-articulated rock beam and calculation of support resistance in full-mechanized face with large mining height[J].Journal of China Coal Society,2011，36(11)：1816-1820．
[21] 许家林,鞠金峰.特大采高综采面关键层结构形态及其对矿压显现的影响[J].岩石力学与工程学报,2011,30(8):1547-1556.
XU Jialin，JU Jinfeng.Structural morphology of key stratum and its influence on strata behavioers in fully mechanized face with super-large mining height[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(8)::1547-1556.
[22] 黄庆享，周金龙，马龙涛，等．近浅埋煤层大采高工作面双关键层结构分析[J]．煤炭学报，2017，42 (10) :2504 -2510．
HUANG Qingxiang，ZHOU Jinlong，MA Longtao，et al．Double key strata structure analysis of large mining height longwall face in nearly shallow coal seam[J].Journal of China Coal Society,2017,42(10):2504-2510．
[23] 李正杰.浅埋薄基岩综采面覆岩破断机理及与支架关系研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2014.
