煤柱下综采工作面矿压特征及水力压裂切顶控制.pdf

第5 4卷 第4期2 0 2 3年7月 太原理工大学学报J OUR NA L O F TA I YUAN UN I V E R S I T Y O F T E CHNO L OG Y V o l.5 4 N o.4 J u l.2 0 2 3 引文格式:吴文达,王天辰,柏建彪.煤柱下综采工作面矿压特征及水力压裂切顶控制J.太原理工大学学报,2 0 2 3,5 4(4):6 8 4-6 9 1.WU W e n d a,WAN G T i a n c h e n,B A I J i a n b i a o.M i n e p r e s s u r e c h a r a c t e r i s t i c s i n f u l l y m e c h a n i z e d w o r k i n g f a c e w h i l e m i n i n g u n d e r r e s i d u a l c o a l p i l l a r a n d h y d r a u l i c f r a c t u r i n g r o o f c u t t i n g c o n t r o lJ.J o u r n a l o f T a i y u a n U n i-v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,2 0 2 3,5 4(4):6 8 4-6 9 1.收稿日期:2 0 2 3-0 1-0 3;修回日期:2 0 2 3-0 3-2 2 基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 2 0 4 1 5 0,U 2 1 A 2 0 1 0 7);山西省基础研究计划(自由探索类)青年研究资助项目(2 0 2 1 0 3 0 2 1 2 2 3 0 5 1);山西省高等学校科技创新计划资助项目(2 0 2 1 L 0 6 5);太原理工大学青年基金资助项目(2 0 2 2 QN 0 6 9)通信作者:吴文达(1 9 9 0-),博士,讲师,主要从事动压巷道围岩控制方面的研究,(E-m a i l)w u w e n d a t y u t.e d u.c n煤柱下综采工作面矿压特征及水力压裂切顶控制吴文达1,王天辰1,柏建彪2 a,2 b(1.太原理工大学 矿业工程学院,太原 0 3 0 0 2 4;2.中国矿业大学 a.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,b.矿业工程学院,江苏 徐州 2 2 1 1 1 6)摘 要:【目的】为分析煤柱下方综采工作面受集中应力影响的强矿压显现特征,以霍洛湾矿3 1 1 0 6工作面过上覆集中煤柱为工程背景进行研究。【方法】通过工作面实测支架阻力精细化分析过煤柱期间的矿压特征和支架适应性,开展相似材料模拟实验,揭示工作面过煤柱的强动压机理,并提出过煤柱的水力压裂切顶控制技术。【结果】结果表明:工作面出煤柱期间,支架阻力整体由大到小依次为中部、下部、上部,工作面周期来压步距为1 0.8 5 m,平均持续长度为4.2 7 m,占周期来压时长的4 0%,平均动载系数达到1.4.出煤柱期间支架载荷超过正常工作阻力(3 5 MP a)的比例分别为:3 2.1 4%、6 3.8 3%和8 7.9 4%,支架受顶板断裂的动载作用并承受长时间的高静载作用。相似材料模拟表明,出煤柱时上覆岩层形成的“T型结构”失稳发生整体的回转下沉,引起下部工作面老顶同步破断,造成工作面大范围支架阻力的增加,液压支架安全阀开启率达到3 1.2%,存在压架风险。【结论】据此提出了工作面过煤柱的水力压裂切顶技术,现场试验表明水力切顶后工作面在出煤柱后1 0 m范围内并没有出现强矿压显现,降低了支架承受的动载荷和高静载,未发生强动载压架现象。关键词:遗留煤柱;支架阻力;动载系数;矿压特征;水力压裂中图分类号:T D 3 2 3 文献标识码:AD O I:1 0.1 6 3 5 5/j.c n k i.i s s n 1 0 0 7-9 4 3 2 t y u t.2 0 2 3.0 4.0 1 2 文章编号:1 0 0 7-9 4 3 2(2 0 2 3)0 4-0 6 8 4-0 8M i n e P r e s s u r e C h a r a c t e r i s t i c s i n F u l l y M e c h a n i z e d W o r k i n g F a c e w h i l e M i n i n g U n d e r R e s i d u a l C o a l P i l l a r a n d H y d r a u l i c F r a c t u r i n g R o o f C u t t i n g C o n t r o lWU W e n d a1,WA N G T i a n c h e n1,B A I J i a n b i a o2 a,2 b(1.C o l l e g e o f M i n i n g E n g i n e e r i n g,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,T a i y u a n 0 3 0 0 2 4,C h i n a;2a.S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C o a l R e s o u r c e s a n d S a f e M i n i n g,2b.S c h o o l o f M i n e s,C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g a n d T e c h n o l o g y,X u z h o u 2 2 1 1 1 6,C h i n a)A b s t r a c t:【P u r p o s e s】I n o r d e r t o s t u d y t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f s t r o n g m i n e p r e s s u r e u n d e r t h e i n f l u e n c e o f c o n c e n t r a t e d s t r e s s i n f u l l y m e c h a n i z e d m i n i n g f a c e u n d e r r e s i d u a l p i l l a r,t h e 3 1 1 0 6 w o r k i n g f a c e o f H u o l u o w a n M i n e p a s s i n g t h r o u g h t h e o v e r l y i n g c o n c e n t r a t e d c o a l p i l l a r i s t a k e n a s t h e e n g i n e e r i n g b a c k g r o u n d.【M e t h o d s】T h e m i n e p r e s s u r e c h a r a c t e r i s t i c s a n d s u p p o r t a d a p t a-b i l i t y d u r i n g p a s s i n g t h r o u g h t h e c o a l p i l l a r a r e a n a l y z e d t h r o u g h t h e m e a s u r e d s u p p o r t r e s i s t a n c e o f t h e w o r k i n g f a c e.T h e s i m i l a r m a t e r i a l s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t i s c a r r i e d o u t t o r e v e a l t h e s t r o n g d y n a m i c p r e s s u r e m e c h a n i s m o f t h e w o r k i n g f a c e p a s s i n g t h r o u g h t h e c o a l p i l l a r,a n d t h e h y d r a u-l i c f r a c t u r i n g r o o f c u t t i n g c o n t r o l t e c h n o l o g y p a s s i n g t h r o u g h t h e c o a l p i l l a r i s p r o p o s e d.【F i n d-i n g s】T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t d u r i n g t h e p e r i o d o f c o a l p i l l a r e x t r a c t i o n i n t h e w o r k i n g f a c e,t h e o v e r a l l s u p p o r t r e s i s t a n c e i s m i d d l e,l o w e r,u p p e r.T h e p e r i o d i c w e i g h t i n g s t e p d i s t a n c e o f t h e w o r k i n g f a c e i s 1 0.8 5 m,t h e a v e r a g e c o n t i n u o u s l e n g t h i s 4.2 7 m,a c c o u n t i n g f o r 4 0%o f t h e p e-r i o d i c w e i g h t i n g t i m e,a n d t h e a v e r a g e d y n a m i c l o a d c o e f f i c i e n t r e a c h e s 1.4.T h e p r o p o r t i o n s o f t h e s u p p o r t l o a d e x c e e d i n g t h e n o r m a l w o r k i n g r e s i s t a n c e(3 5 MP a)d u r i n g t h e c o a l p i l l a r a r e 3 2.1 4%,6 3.8 3%,a n d 8 7.9 4%.T h e w o r k i n g f a c e i s s u b j e c t e d t o t h e d y n a m i c l o a d o f r o o f f r a c-t u r e a n d l o n g-t e r m h i g h s t a t i c l o a d.S i m i l a r m a t e r i a l s i m u l a t i o n s h o w s t h a t w h e n t h e c o a l p i l l a r i s p u l l e d o u t,t h e o v e r l y i n g T-t y p e s t r u c t u r e i s u n s t a b l e a n d t h e o v e r a l l r o t a r y s i n k i n g o c c u r s,c a u s i n g t h e m a i n r o o f o f t h e l o w e r w o r k i n g f a c e t o b r e a k s y n c h r o n o u s l y,r e s u l t i n g i n a n i n c r e a s e i n t h e s u p p o r t r e s i s t a n c e o f t h e w o r k i n g f a c e i n a l a r g e r a n g e.T h e o p e n i n g r a t e o f t h e s a f e t y v a l v e o f t h e h y d r a u l i c s u p p o r t r e a c h e s 3 1.2%,a n d t h e r e i s a r i s k o f s u p p o r t c r u s h i n g.【C o n c l u s i o n s】O n t h e b a s i s o f a b o v e f i n d i n g s,t h e h y d r a u l i c f r a c t u r i n g r o o f c u t t i n g t e c h n o l o g y f o r w o r k i n g f a c e c r o s s i n g c o a l p i l l a r i s p u t f o r w a r d.F i e l d t e s t s h o w s t h a t t h e h y d r a u l i c f r a c t u r i n g r o o f c u t t i n g i n t h e c o a l p i l l a r a r e a c a n e f f e c t i v e l y d e s t r o y t h e r o o f i n t e g r i t y.T h e r e i s n o s t r o n g m i n e p r e s s u r e w i t h i n 1 0 m a f t e r t h e w o r k i n g f a c e i s o u t o f t h e c o a l p i l l a r,w h i c h r e d u c e s t h e d y n a m i c l o a d a n d h i g h s t a t i c l o a d o f t h e s u p p o r t,a n d n o s t r o n g d y n a m i c l o a d c r u s h i n g o c c u r s.K e y w o r d s:r e s i d u a l c o a l p i l l a r;s u p p o r t r e s i s t a n c e;d y n a m i c l o a d f a c t o r;m i n e p r e s s u r e c h a r-a c t e r i s t i c s;h y d r a u l i c f r a c t u r i n g 煤层群下行开采上部煤层遗留大量的煤柱,导致下煤层工作面在遗留煤柱下方开采时容易出现应力集中、动载矿压等强矿压现象,严重影响安全生产1-3。因此,有必要对煤柱下综采工作面矿压特征展开研究。下煤层工作面出上覆遗留煤柱的致灾机制一直是研究的热点。许家林等4、鞠金峰等5、朱卫兵等6对神东矿区的工作面出煤柱压架事故进行了大量分析,得出工作面出煤柱时引起上方的关键层块体瞬间回转失稳,与层间关键块砌体梁铰接结构组合破断失稳是产生冲击动载的主要原因。郭放等7运用F L A C3 D数值模拟研究了综采工作面在上覆已采煤层留设煤柱和采空区下开采时的应力分布规律,得出综采工作面在煤柱两侧边界下方载荷高于煤柱中部下方载荷,煤柱正下方及边缘两侧各1 0 m为影响区域。王创业等8总结了工作面在上覆遗留煤柱下和采空区下开采时的矿压显现规律,研究表明在临近推出煤柱区时,顶板大规模冒落直接导致压架事件。付兴等9构建了极近距离采空下工作面覆岩结构物理模型,得出近距离采空下工作面覆岩更易失稳,来压频繁且来压强度较高。张琰君等1 0建立了浅埋原煤层开采的“斜台阶切落体”结构力学模型,分析了结构失稳对工作面支架阻力的影响。李海涛等1 1结合数值模拟软件得到影响工作面应力分布的因素主要是残留煤体的尺寸及下部承载介质的强度。薛宝玉等1 2以神东矿区上湾煤矿为背景,研究了综采工作面推进速度对顶板岩层活动的影响规律。针对工作面过煤柱的强矿压灾害,鞠金峰等1 3、杨登峰等1 4、杨胜利等1 5和陈苏社1 6等学者提出了从上部关键层破断块体(施载体)、集中煤柱(过渡体)和层间岩层(承载体)三个角度来控制压架事故,常采用的手段有煤柱预裂爆破、注浆充填煤柱边缘区域、增大支架阻力和加快推进速度等,为出煤柱时采场的顶板管理和安全开采提供有力保障。本文以霍洛湾矿3 1 1 0 6工作面过上覆集中煤柱为背景,对工作面实测支架阻力进行精细化分析,量化出煤柱期间矿压显现特征,提出过煤柱水力压裂切顶控制技术并开展现场应用。1 工作面概况霍洛湾煤矿主采3-1号煤层,煤层厚3.8 6 m,埋深约1 8 0 m,为近水平煤层。3 1 1 0 6工作面在阿586 第4期 吴文达,等:煤柱下综采工作面矿压特征及水力压裂切顶控制大高速公路保护煤柱南侧段推进长度1 2 3 2 m,工作面宽度2 4 0 m,采用综采一次采全高工艺。工作面推进过程中需要穿过上方2-2号煤层的5个综采采空区,该采空区于2 0 1 3-2 0 1 8年之间形成,相邻工作面之间的集中煤柱宽度为2 0 m(编号为1-4).工作面与上方的2-2号煤层间距为3 7 m,3-1号煤层老顶为2 1.1 4 m厚的细粒砂岩,上部2-2号煤层厚5.3 7 m,上部老顶为厚2 1.8 3 m的细粒砂岩,均为坚硬难垮顶板,给工作面出煤柱时增加了安全隐患。3 1 1 0 6工作面布置及钻孔柱状如图1所示。21.832.835.378.1221.146.200.814.0?灰色，颗粒小，质密，坚硬部分黑色泥岩，较坚硬孔隙发育，性脆，较完整黑色泥岩，性脆灰色，颗粒较小，性脆灰色，颗粒较大，夹薄层泥岩黑色，性脆性脆，较完整厚度/m描述岩性细砂岩泥岩2-2 号煤泥岩细砂岩粉砂岩泥岩3-1 号煤2013 年综采空区2014 年综采空区2015 年综采空区2016 年综采空区2017 年综采空区240?mN20?m 条带煤柱4#3#2#1#37?m31106 工作面注：黑色线条为 2-2 号煤层的已采巷道；洋红色线条为 3-1 号煤层 31106 工作面巷道1?232?m图1 3 1 1 0 6工作面布置图F i g.1 L a y o u t o f N o.3 1 1 0 6 l o n g w a l l p a n e l 3 1 1 0 6工作面从8月1 9日到8月2 5日之间推过3#集中煤柱,工作面机头在7 4 0 m位置进入煤柱,在7 6 0 m位置出煤柱,机尾在7 7 0 m位置进煤柱,在7 9 0 m位置出煤柱,过煤柱期间工作面调整与煤柱的夹角为7,在煤柱下方和推出煤柱边界时推进速度为1 5 m/d,工作面回采位置如图2所示。3#煤柱机头 720.3?m工作面位置机尾 727.3?m机头 797.3?m机尾 800.8?m图2 3 1 1 0 6工作面煤柱下推进位置F i g.2 M i n i n g p o s i t i o n o f 3 1 1 0 6 w o r k i n g f a c e a d v a n c e u n d e r c o a l p i l l a r2 工作面过煤柱矿压规律实测分析2.1 工作面支架阻力观测方案3 1 1 0 6工作面安装液压支架1 4 1架,选择工作面上部 测 区2 2#、2 4#、2 6#液 压 支 架,中 部 测 区6 8#、7 0#、7 2#液 压 支 架,下 部 测 区1 1 4#、1 1 6#、1 1 8#液 压 支 架,总 计9架 作 为 观 测 对 象。利 用MA R C O系统实时监测系统每小时记录一次支架工作阻力,检修班数据不记录,精细化分析3 1 1 0 6工作面在集中煤柱下方的矿压规律。采用支架的平均工作阻力与其平均方差之和作为周期来压的判定指标,判定公式为2:Ps=Pa+K P.(1)Pa=1nni=1Pi.(2)P=1nni=1(Pi-Pa)2.(3)式中:Ps为周期来压判据,MP a;Pa为实测循环阻力的平均值,MP a;K为均方差系数,取0.81.0;P为支架阻力平均值的均方差,MP a;Pi为实测液压支架的工作阻力,MP a;n为实测循环数。工作面来压期间的动载系数是判断来压强度的关键指标,计算公式为:Kd=Pz/Pf.(4)式中:Kd为来压时的动载系数;Pz为周期来压期间支架平均工作阻力,MP a;Pf为工作面正常推进期间支架平均工作阻力,MP a.2.2 工作面过煤柱支架阻力分析根据周期来压的判定指标和动载系数的计算方法,得到3 1 1 0 6工作面过3#煤柱期间3个测区的来压特征,如表1所示。3个测区的支架阻力变化特征如图3-图5所示。3 1 1 0 6工 作 面 过 煤 柱 期 间 矿 压 主 要 有 以 下686太 原 理 工 大 学 学 报 第5 4卷 特征:1)上、中、下部测区的支架最 大阻力分别 为4 4.4、4 6.2、4 4.7 MP a,平 均 工 作 阻 力 为2 8.4 2、3 5.1 5、3 1.6 9 MP a.过煤柱期间,支架阻力整体从大小到依次为中部测区,下部测区,上部测区。2)上部测区来压56次,平均来压步距1 0.6 2 m,平均来压持续长度3.4 7 m,来压和正常推进期间支架平均阻力分别为3 8.0 5和2 6.8 4 MP a,平均动载系数1.4 2;中部测区来压57次,平均来压步距1 1.4 5 m,平均来压持续长度4.5 7 m,来压和正表1 过煤柱期间3 1 1 0 6工作面来压特征T a b l e 1 M i n i n g p r e s s u r e c h a r a c t e r i s t i c s o f 3 1 1 0 6 w o r k i n g f a c e i n p e r i o d o f m i n i n g o u t o f t h e N o.3 c o a l p i l l a r测区支架编号最大工作阻力/MP a平均工作阻力/MP a平均工作阻力均方差/MP a周期来压判据/MP a周期来压步距/m来压期间平均阻力/MP a非来压时平均阻力/MP a来压次数周期来压持续长度/m动载系数上部测区2 24 1.7 02 8.8 74.2 83 3.1 59.2 03 7.8 02 7.3 863.0 01.3 82 44 0.8 02 6.7 55.7 83 2.5 31 2.2 53 7.4 72 4.8 555.0 01.5 12 64 4.4 02 9.6 45.0 33 4.6 61 0.4 03 8.8 92 8.2 962.4 01.3 7中部测区6 84 5.6 03 5.1 96.9 44 2.1 31 3.2 54 4.0 33 2.1 954.0 01.3 87 04 6.2 03 5.7 87.8 74 3.6 41 1.6 04 5.2 53 2.9 465.6 01.3 77 24 5.0 03 4.4 87.9 04 2.3 89.5 04 3.6 53 2.3 374.1 21.3 5下部测区1 1 44 0.5 03 3.5 34.9 63 8.4 91 2.6 74 0.2 53 0.0 346.3 31.3 41 1 64 4.7 03 0.2 34.6 33 4.8 59.5 03 9.9 62 7.1 853.5 01.4 71 1 84 2.3 03 1.3 06.2 33 7.5 99.2 54 0.3 12 8.7 254.5 01.4 1780504540353025201510液压支架工作阻力/?MPa790 800770760750740730720710工作面推进距离/?m液压支架阻力周期来压判据（a）22#支架阻力780504540353025201510液压支架工作阻力/?MPa790 800770760750740730720710工作面推进距离/?m液压支架阻力周期来压判据（b）24#支架阻力780504540353025201510液压支架工作阻力/?MPa790 800770760750740730720710工作面推进距离/?m液压支架阻力周期来压判据（c）26#支架阻力图3 煤柱下开采上部测区支架阻力曲线F i g.3 T h e c u r v e o f h y d r a u l i c s u p p o r t r e s i s t a n c e i n u p p e r m e a s u r i n g r e g i o n w h i l e m i n i n g o u t o f t h e a b o v e c o a l p i l l a r780504540353025201510液压支架工作阻力/?MPa790 800770760750740730720710工作面推进距离/?m液压支架阻力周期来压判据（a）68#支架阻力780504540353025201510液压支架工作阻力/?MPa790 800770760750740730720710工作面推进距离/?m液压支架阻力周期来压判据（b）70#支架阻力780504540353025201510液压支架工作阻力/?MPa790 800770760750740730720710工作面推进距离/?m液压支架阻力（c）72#支架阻力周期来压判据图4 煤柱下开采中部测区支架阻力曲线F i g.4 T h e c u r v e o f h y d r a u l i c s u p p o r t r e s i s t a n c e i n m i d d l e m e a s u r i n g r e g i o n w h i l e m i n i n g o u t o f t h e a b o v e c o a l p i l l a r780504540353025201510液压支架工作阻力/?MPa790 800770760750740730720710工作面推进距离/?m液压支架阻力周期来压判据（a）114#支架阻力780504540353025201510液压支架工作阻力/?MPa790 800770760750740730720710工作面推进距离/?m液压支架阻力周期来压判据（b）116#支架阻力780504540353025201510液压支架工作阻力/?MPa790 800770760750740730720710工作面推进距离/?m液压支架阻力周期来压判据（c）118#支架阻力图5 煤柱下开采下部测区支架阻力曲线F i g.5 T h e c u r v e o f h y d r a u l i c s u p p o r t r e s i s t a n c e i n l o w e r m e a s u r i n g r e g i o n w h i l e m i n i n g o u t o f t h e a b o v e c o a l p i l l a r786 第4期 吴文达,等:煤柱下综采工作面矿压特征及水力压裂切顶控制常推进期间支架平均阻力分别为4 4.3 1 MP a和3 2.4 9 MP a,平均动载系数1.3 7;下部测区来压45次,平均来压步距1 0.4 7 m,平均来压持续长度4.7 8 m,来压和正常推进期间支架平均阻力分别为4 0.1 7 MP a和2 8.6 4 MP a.工作面的上中下三个测区整体呈现同步来压的特征,煤柱下方的周期来压步距为1 0.8 5 m,平均持续长度为4.2 7 m,占周期来压时长的4 0%,表明工作面出煤柱来压期间支架承受长时间的高静载作用。3)来压期间的平均动载系数达到1.4,上部和下部测区的动载系数要高于中部。支架的增阻速度快,来压过后支架阻力迅速降低,受集中煤柱的影响,顶板破断距较小,顶板活动剧烈,工作面长时间处于带压开采状态。4)出煤柱期间中部测区的支架阻力和来压步距与进煤柱之前相差不大,但上下部测区的支架压力变 化 较 大,上 下 部 测 区 出 煤 柱 时 平 均 压 力 由2 6.7 8 MP a增加到3 0.2 6 MP a,增加了1 3%,增大了压架风险。2.3 工作面过煤柱支架适应性分析选择3 1 1 0 6工作面机头刚进入煤柱、工作面在煤柱下方和工作面出煤柱3个位置,分析得到工作面倾向液压支架阻力如图6所示。安全阀开启 43.0?MPa平均压力 32.43?MPa初撑力 25.2?MPa机头机尾8 月 21 日早班支架阻力8 月 21 日31106 工作面推进工作面位置机头 744.3?m机尾 751.3?m3#煤柱1002030405060708090 100 110 120 130 140液压支架编号504540353025201510液压支架工作阻力/?MPa（a）8 月 21 日早班工作面液压支架阻力（进煤柱前）（b）8 月 22 日早班工作面液压支架阻力（煤柱下方）安全阀开启 43.0?MPa平均阻力 36.67?MPa初撑力 25.2?MPa机头机尾8 月 22 日早班支架阻力8 月 22 日31106 工作面推进工作面位置机头 760.2?m机尾 766.4?m3#煤柱1002030405060708090 100 110 120 130 140液压支架编号504540353025201510液压支架工作阻力/?MPa（c）8 月 24 日早班工作面液压支架阻力（出煤柱）安全阀开启：43.0?MPa平均阻力 40.19?MPa初撑力 25.2?MPa机头机尾8 月 24 日早班支架阻力8 月 24 日31106 工作面推进工作面位置机头 784.9?m机尾 788.8?m3#煤柱1002030405060708090 100 110 120 130 140液压支架编号504540353025201510液压支架工作阻力/?MPa图6 3 1 1 0 6工作面过煤柱期间不同位置液压支架工作阻力F i g.6 H y d r a u l i c s u p p o r t r e s i s t a n c e a t d i f f e r e n t m i n i n g p o s i t i o n s o f 3 1 1 0 6 w o r k i n g f a c e w h i l e m i n i n g o u t o f t h e c o a l p i l l a r霍洛湾煤矿确定支架的初撑力为2 5.2 MP a,安全阀开启压力为4 3 MP a.由图6(a)可知,工作面在进入煤柱时,支架平均阻力在3 2.4 3 MP a,高阻力范围主要出现在工作面中下部7 0#-1 2 0#支架,安全阀开启支架数为1 0架,安全阀开启率为7.1%.工作面在煤柱下方时,支架平均阻力在3 6.6 7 MP a,高阻力范围主要出现在1 0#-1 3 0#支架,覆盖了整个工作面范围,安全阀开启支架数为3 0架,安全阀开启工作面出煤柱后,支架平均阻力在4 0.1 9 MP a,高阻力范围主要出现在4 0#-1 2 5#支架,对应范围在工作面的中部和下部,安全阀开启支架数为4 4架,安全阀开启率达到3 1.2%(图6(c),从开始进煤柱到出煤柱2 4.2 m范围内工作面压力表现为逐渐增大的趋势。图7为3 1 1 0 6工作面过集中煤柱期间支架阻力的分布。工作面未进煤柱时,支架阻力主要分布在2 5.24 0 MP a范围,占比8 4.3%,大于4 0 MP a的为1 4.2%,总体支架阻力较小。在煤柱下方时,支架阻力分布比较均匀,支架阻力主要分布在3 54 5 MP a范围,占比6 3.8%,其中在4 0 MP a以上的占到4 4.7%,支架受力整体比较均匀,受到煤柱传递集中压力的影响,工作面的压力显现逐渐增加。出煤柱后,支架阻力主要分布在4 04 5 MP a范围,占比6 6.7%,2-2号煤层的顶板发生失稳,通过煤柱产生载荷传递引起3 1 1 0 6工作面的顶板同步回转下沉,引起工作面大面积来压,压力覆盖整个工作面。总体分析,过煤柱期间支架载荷超过正常工作阻力(3 5 MP a)的 比 例 分 别 为3 2.1 4%、6 3.8 3%和8 7.9 4%.由此可知,出煤柱期间支架整体的压力较高,并没有足够的富余系数。8 月 21 日支架阻力分布（进煤柱前）8 月 22 日支架阻力分布（煤柱下方）8 月 24 日支架阻力分布（出煤柱后）50454035302520151050百分比/?%430 400430350400300350252300 252液压支架工作阻力区间/?MPa图7 3 1 1 0 6工作面出煤柱期间液压支架阻力频率分布F i g.7 D i s t r i b u t i o n o f h y d r a u l i c s u p p o r t s r e s i s t a n c e o f 3 1 1 0 6 w o r k i n g f a c e w h i l e m i n i n g o u t o f t h e c o a l p i l l a r2.4 工作面过煤柱强动压机理分析建立相似材料模型来研究3 1 1 0 6工作面出煤柱期间的顶板结构特征,与现场支架阻力对比分析,讨论出煤柱期间的强矿压机理,结果如图8所示。工作面在煤柱下方时,上覆2-2号煤层遗留集中煤柱886太 原 理 工 大 学 学 报 第5 4卷 的上方形成长度约为3 6 m的单侧长悬顶结构(图8(a),该结构在煤柱的支承作用下保持稳定,通过煤柱向下工作面传递压力,因此工作面在煤柱下方支架承受高静载作用。当工作面出煤柱5 m后,煤柱上方覆岩在煤柱的支承作用下形成“T型结构”(图8(b),随着工作面推进层间岩层垮落,覆岩“T型结构”失稳,整体向采空区后方回转,并通过集中煤柱向工作面传递载荷,引起3-1号煤层的层间顶板岩层叠加同步破断,造成工作面大范围的支架阻力增加,动载系数增大,压架风险增加。（a）工作面在煤柱下方（b）工作面出煤柱 5?m回转下沉坚硬岩层断裂块T 型结构出煤柱后坚硬岩层悬顶36?m集中煤柱应力测点煤柱边界出煤柱前图8 3 1 1 0 6工作面出集中煤柱期间顶板结构F i g.8 O v e r b u r d e n s t r u c t u r e o f 3 1 1 0 6 w o r k i n g f a c e w h i l e m i n i n g o u t o f t h e a b o v e s t r i p c o a l p i l l a r图9为煤柱边界下方3-1号煤层顶板的应力监测曲线。由图可知,工作面进入煤柱后,煤柱上方坚硬岩层形成单侧悬顶结构,压力从1 0 k P a快速增加到2 6 k P a,并在高压力区间持续2 0 m距离(集中煤柱宽度)。出集中煤柱5 m后,覆岩形成的“T型结构”回转引起层间岩层切落,测点应力升高到4 6 k P a,相比出煤柱之前应力涨幅达到7 0