0 引 言
随着我国煤矿综合机械化水平不断发展，单产单进水平逐步提升［1］，蒙陕地区浅部煤炭资源日渐枯竭，矿井由浅表开采逐步向深部开采转移。 矿井开采由浅入深，工作面及两巷矿压显现强度产生了量与质的不同［2-4］，许多专家、学者对采场矿压显现规律及液压支架适应性做了大量研究，有的从矿压规律方面着手，通过理论计算、数值模拟等方式对工作面长度、埋深等条件下的采场矿压显现特征进行了对比研究［5-7］，有的基于特定地质条件下采场矿压显现特征，对综采面液压支架适应性做了大量研究，也取得了很多有价值的成果。 潘岳等［8］对周期来压前超前隆起分布荷载进行了研究，推导出覆岩载荷与支架支撑力作用条件下的顶板静力挠度方程，并计算出周期来压条件下坚硬顶板的弯矩和挠度；靳钟鸣［9］对大量实践数据进行研究，提出了坚硬顶板弹性悬梁模型，进而得到支架-围岩力学体系的内在联系，根据悬梁结构对来压前岩体下沉加速和反弹现象等力学特性进行解释，并在现场进行了来压预报实践；刘宝珠等［10］针对综放采场矿压显现特征进行了研究，得出工作面倾向上基本顶来压具有明显的不一致性；秦忠诚等［11］对特定背景下现场矿压显现进行了观测，并基于大量实测数据对该条件下支架适应性进行了分析，得出支架阻力合理区间。 许多专家、学者对超长工作面矿压规律进行了研究，但未进行典型高压区域特征划分。 笔者以葫芦素煤矿21102 工作面为工程背景，通过采用矿压理论计算、现场动态实时监测和KJ21 软件分析等多种手段相结合对液压支架的工作阻力、工作面周期来压及超前支承压力的变化规律进行了分析研究，并对当前工作面液压支架的工作强度进行了有效验算，提出了适于蒙陕地区类似煤层赋存条件下的液压支架合理工作阻力区间。
1 工程概况
葫芦素煤矿是蒙陕地区第1 批采深大于600 m的建设矿井，21102 首采工作面位于井田2-1 煤一盘区，2-1 煤位于延安组第3 岩段（J2y3）上部，2 煤组的顶部。 煤层自然厚度0 ～6.37 m，平均2.63 m，煤层可采厚度1.06 ～5.61 m，平均2.52 m。 该工作面倾向长度320 m，走向长度4 150 m。 工作面采深626.17～647.91 m，倾角为1°～3°，回采面积为132.79万m2。
21102 首采工作面顶板管理方式为全部垮落法，采煤方式为走向长壁后退式一次采全高采煤法。割煤方式为双向割煤，采煤机的端头为斜切进刀，往返1 次进2 刀。 支架型号为ZY10000-16／32 两柱掩护式液压支架，通常滞后3 ～5 架跟机移架，移架步距865 mm，控顶距控制在5 311～6 176 mm。
2 来压步距理论计算
初次来压步距计算。 基本顶的初次来压步距Lc的通用计算公式［12］为
式中：h 为基本顶的厚度，m；Rt 为基本顶的抗拉强度，MPa；q 为基本顶单位面积上的载荷，kN／m2。
21102 综采工作面为首采工作面，结构较为完整，基本顶可视为固定梁，但考虑到回采初期对基本顶进行了爆破弱化处理，基本顶的完整状态遭到破坏，所以基本顶初次来压步距将会明显缩小，可用公式（2）进行分析。
式中：k 为放顶后的步距变化系数，由基本顶爆破放顶的充分程度决定，放顶效果越好，k 越小。
根据开切眼附近的H27 钻孔岩层柱状图，确定基本顶为厚13.41 m 中粒砂岩，其抗拉强度Rt 为2.23 MPa，单位面积上的载荷q 约为0.28 MPa，k 取0.8。 将各参数代入式（2），得初次来压步距约为42.8 m。
周期来压步距计算。 采场围岩受压，导致基本顶初次垮落，围岩的原岩应力状态也随之被打破，此时基本顶可视作悬臂梁，基本顶周期来压步距Lz的计算公式［13］为
将各参数代入，得周期来压步距为21.8 m。
3 工作面矿压观测
以葫芦素21102 首采工作面为工程背景，为保证矿压规律的可靠性，根据研究内容制定详细观测方案，分别布置采场压力观测区和区段巷道超前压力观测区。
3.1 观测方案
3.1.1 采场压力观测方案
为获取工作面矿压显现数据，沿工作面布置YHY60W 矿用本安型支架压力记录仪，其测量孔与支架立柱下腔相连接。 工作面每7 ～8 架设置1 个压力监测站，共设置25 个压力支架立柱监测压力记录仪（分别安装在4、8、15、23、30、38、46、53、60、68、76、83、92、98、106、113、120、128、136、143、150、158、166、174、183 号支架上）；工作面每30 ～40 架设置1台监测平衡千斤顶记录仪（分别安装在39、75、108、146、182 号支架上），共计5 台记录仪。
3.1.2 回采巷道超前压力观测方案
为充分分析区段巷道超前压力影响范围，在运输巷超前工作面200 m 处安装MCS-400 矿用本安型锚杆（索）测力计，螺纹钢锚杆安装9 台，玻璃钢锚杆安装4 台，锚索安装3 台，全面分析锚杆索受力状态，其测力计位置如图1 所示。
图1 测力计位置
Fig.1 Dynamometer position
3.2 工作面矿压显现规律分析
3.2.1 初次来压分析
据现场实测，21102 工作面推进12 m 左右时直接顶从工作面中部开始逐渐垮落，当工作面推进20 m，采空区后方已基本充填满。 工作面推进40 m 左右基本顶发生初次来压，在工作面能够听到明显的基本顶断裂声音。 由于工作面初采期间采取了深孔爆破技术对开切眼顶板进行了拉槽爆破处理，工作面基本顶来压强度不大，压力分布如图2 所示。
图2 工作面初次来压支架工作阻力分布
Fig.2 Distribution of support working resistance when working face initial weighting
通过矿压数据分析可知，在不计入开切眼宽度时，21102 工作面顶板初次来压步距38.5 ～45.9 m，平均为41.4 m。 工作面动载系数为1.04 ～1.18，平均为1.08，动载系数较小，表明初次来压期间工作面压力不大，初采强制放顶取得了较为明显的效果，有效降低了工作面初次来压强度，保障了初次来压期间工作面的安全。
3.2.2 周期来压分析
根据矿压观测方案，提取矿压观测数据，通过分析可得，工作面推进0 ～400 m 共发生11 次小周期来压，最大来压步距为31.9 m，最小来压步距为12 m，平均来压步距为22 m。 基本顶来压时，动载系数最大为1.09，最小为1.03，平均为1.06，动载系数很小，而充分采动后的工作面动载系数最大为1.27，最小为1.03，平均为1.18，动载系数较小，说明工作面总体来压现象不明显，如图3 所示。 工作面压力沿走向分为3 个区域：①低压区，工作面推进0～100 m为低压区域，该区域采动非常不充分，支架日平均工作阻力变化不大，普遍在7 000 kN 以下，工作面没有明显片帮。 ②过渡区，工作面推进100 ～300 m 为过渡区域，该区域随着工作面的推进采动越来越充分，支架工作阻力逐渐增大。 ③高压区，工作面推进300 m 往后为高压区域，该区域采动充分，支架日平均工作阻力变化不大且普遍在8 000 kN 以上，工作面片帮现象较为明显。
沿工作面倾向，支架压力可分为5 个区域，从机头到机尾依次为低压区、高压区、低压区、高压区、低压区，呈“马鞍形”分布（图3）。
图3 支架压力变化
Fig.3 Change of support pressure
1）支架工作阻力。 对支架工作阻力按区间宽度2 000 kN 划分，再统计支架工作阻力在各区间所占百分比，统计结果见表1。
表1 支架工作阻力分布
Table 1 Support working resistance distribution
注：工作阻力区间单位为MN。
支架编号不同区间工作阻力分布频率／%≤2 （2，4］ （4，6］ （6，8］ （8，10］ ＞10 4 0.7 0.4 1.3 58.4 38.3 0.9 15 0.2 0.0 0.6 23.8 73.4 1.9 30 0.2 0.0 0.3 15.1 77.3 7.2 46 0.5 0.1 0.3 14.9 84.2 0.1 60 0.5 0.1 0.4 10.8 80.0 8.2 83 0.3 0.1 0.4 15.7 83.0 0.6 92 0.4 0.5 2.7 23.6 72.5 0.3 98 0.1 0.0 0.3 15.8 83.6 0.2 113 0.2 0.1 0.7 18.7 77.0 3.4 128 0.4 0.1 0.9 21.3 76.9 0.3 136 0.2 0.2 0.6 11.3 47.5 40.3 150 0.4 0.1 0.9 27.5 69.6 1.5 166 0.2 0.2 1.8 64.7 32.9 0.2 174 0.7 0.7 4.2 73.2 18.6 2.6
由表1 可得，工作面支架工作阻力在各个区间的分布频率：0～2 000 kN 为0.4%，2 000 ～4 000 kN为0.2%，4 000～6 000 kN 为1.1%，6 000 ～8 000 kN为28.2%，8 000～10 000 kN 为65.3%，10 000 kN 以上为4.8%。 处于高工作阻力区间（8 000 kN以上）的比例为70.1%，说明工作面支架总体处于高负荷工作状态，支架支护富裕量较少。
2）沿倾向支架阻力。 21102 首采工作面长度320 m，属于长工作面，液压支架工作阻力沿工作面倾向呈现出特有的规律：从机头到机尾分别为低应力区、高应力区、低应力区、高应力区、低应力区，呈现长工作面所特有的“马鞍形”应力分布特征。 分析现场支架的压力变化，得出沿工作面倾向支架压力的分布规律：两端、中间小，偏中间位置压力大，应力集中圈叠加显现。 综合分析工作面周期来压数据的资料，绘制支架压力变化曲线，如图4 所示。
图4 支架平均工作阻力变化
Fig.4 Support average working resistance
3）采空区倾向应力变化分析。 基于载荷三带理论［14］，工作面初次来压后采场上覆岩层结构由即时加载带（instant loading zone，简称ILZ）、延时加载带（delayed loading zone，简称DLZ）和静载带（static loading zone，简称SLZ）组成，其覆岩特征如图5 所示（以o 点建立x、y 坐标），此时采空区分布应力主要由即时加载带中充分垮落岩层（图5 蓝色区域）的岩层重力与未充分垮落的岩层（图5 黄色区域）传递的部分重力叠加组成，由于工作面倾向长度的不同采场应力分布将呈现马鞍形和上凸圆弧形2 种。
长综采工作面中即时加载带中未充分垮落的岩层传递的部分载荷将在采空区形成2 个相隔一定距离的应力集中区，此时形成的曲线呈马鞍形（图5a）；若工作面倾向长度较小时，如图5b 所示，此时2 个应力集中区出现重叠，此时形成的叠加曲线呈上凸的弧形，具体的应力分布曲线如图6所示。
3.3 超前支承压力变化规律
为掌握工作面超前支承压力影响范围，确定合理超前支护距离，工作面前方200 m 处，在运输巷全断面布置MCS-400 矿用本安型锚杆（索）测力计，分别监测帮锚杆、顶锚杆和顶锚索受力情况，分析采动影响下的超前支承压力的变化情况。 提取各压力采集器采集的数据信息，如图7 所示。
图5 工作面初次来压后采场覆岩空间结构
Fig.5 Surface structure of overlying strata after working face initial weighting
图6 不同倾向长度的采空区应力分布
Fig.6 Stress distribution of goaf with different propensity length
由图7 可得，除了顶锚杆外，帮锚杆和顶锚索明显受超前支承压力的影响。 煤柱侧帮锚杆在工作面前方约42 m 处受力开始增大，在工作面前方约18 m处受力开始显著增大；部分回采侧帮锚杆受力与煤柱侧帮锚杆类似；锚索则在工作面前方约45 m 处受力开始增大，在工作面前方约18 m 处开始显著增大。综合以上分析，工作面超前支承压力影响范围约为工作面前方45 m，显著影响范围约为工作面前方18 m。
图7 随工作面推进锚杆索受力变化
Fig.7 Pushing load of anchor cable with working face advancing
4 结 论
1）21102 综采工作面所配备的国产二柱掩护式液压支架（ZY10000-16／32），所发挥的支架工作阻力富裕量较小，建议在类似煤层赋存条件的其他工作面支架选型时，其额定工作阻力可选择在12 000～14 000 kN，以防工作面停产、过空巷、过断层期间造成大面积来压出现压架事故。
2）21102 工作面顶板初次来压步距38.5 ～45.9 m，平均为41.4 m，基本与理论计算吻合。 周期来压步距最大为31.9 m，最小来压步距为12 m，平均来压步距为22 m。 基本顶来压时，动载系数最大为1.09，最小为1.03，平均为1.06，动载系数很小，说明工作面总体来压现象不明显。
3）21102 首采工作面长度320 m，属于较长工作面，液压支架工作阻力沿工作面倾向呈现出特有的规律：从机头到机尾分别为低应力区、高应力区、低应力区、高应力区、低应力区，即长工作面所特有的“马鞍形”应力分布特征。
4）工作面超前支承压力影响范围约为工作面前方45 m，显著影响范围约为工作面前方18 m。 目前超前支护距离20 m 满足要求，在保证区段巷道锚杆支护质量和单体支柱支设质量的前期下，现有的4 排单体支柱超前支护可缩减为2 排。
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