关于综采工作面顶板压力控制探讨

摘要：综采工作面顶板压力控制是煤矿高效安全开采的核心技术，其稳定性直接影响生产效率、设备安全及人员生命健康，随着煤矿开采深度不断增加，复杂地质条件如断层、破碎带、高地应力等使顶板压力显现更加剧烈，传统的支护方式难以满足现代综采工作面的安全需求，顶板压力控制的关键在于准确掌握矿山压力分布规律、顶板岩层运动特征及支护结构的适应性，而现有技术在实际应用中仍存在支护强度不足、动态响应滞后、智能化程度不高等问题，液压支架技术、实时监测系统及数值模拟方法的进步为顶板压力控制提供了新的研究方向，但如何优化支护参数、实现顶板动态监测与智能调控仍是亟待解决的难题，本文主要分析了综采工作面的顶板压力控制。

关键词：综采工作面；顶板压力；支护技术

引言：

我国煤炭开采逐渐向深部延伸，高地应力、软弱围岩等复杂条件导致顶板事故风险加剧，顶板事故在煤矿安全事故中占比居高不下，暴露出压力预测不准、支护设计不合理等问题，学者在顶板破断规律、液压支架适应性等领域取得了一定成果，但针对不同煤层赋存条件下的压力动态响应机制仍缺乏系统性研究，随着智能传感技术和数值模拟手段的发展，顶板压力监测精度与控制实时性有了新的突破可能，结合现代技术手段深化顶板压力控制研究，对实现安全高效开采具有重要现实意义。

1.加强综采工作面顶板压力控制研究的现实需求

1.1周期来压导致液压支架立柱下缩量超限

在周期来压阶段，支架工作阻力可骤增至额定阻力的1.3倍以上，立柱瞬时下缩量可达20毫米至50毫米，若顶板岩层破碎或存在关键层失稳，下缩量可能进一步增大至80毫米至100毫米，严重时引发压架事故，下缩量超限会破坏支架与围岩的耦合关系，导致顶板离层加剧、煤壁片帮风险上升，并可能诱发支架倾斜或立柱油缸密封失效等连锁问题。立柱下缩量与顶板下沉量呈非线性正相关，且受采高、推进速度及直接顶厚度等因素影响，当采高超过4.5米或日推进速度低于2米时，下缩量超限概率显著提高，分析支架阻力-时间曲线与顶板下沉时序数据，可发现周期来压期间立柱下缩速率可达0.5毫米每分钟至1.2毫米每分钟，远超非来压期的0.1毫米每分钟至0.3毫米每分钟。

1.2煤壁片帮加剧与顶板破碎度正相关性

在综采工作面顶板压力控制研究中，煤壁片帮加剧与顶板破碎度的正相关性具有显著现实意义。以工作面可采长度3178.3米、工作面长度330.1米的实际工况为例，该工作面位于2-2煤辅运大巷西侧，毗邻11221工作面采空区和12201未采动实体煤区域，西部切眼紧邻靖神铁路保护煤柱边界，地质条件复杂。采用综合机械化采煤工艺和长壁后退式一次采全高采煤方法，配合全部垮落法管理顶板，工作面配置郑煤机ZY12000/25/50D掩护式液压支架，其中心距1750mm、初撑力7916kN、额定工作阻力12000kN、支撑高度2500~5000mm的技术参数，为顶板控制提供了基础保障。但现场观测显示，随着开采推进，煤壁片帮现象明显加剧，直接导致顶板破碎度增加，两者呈现显著正相关关系。这种相关性在邻近采空区边界和铁路保护煤柱区域表现尤为突出，分析认为这与采动应力重新分布、煤岩体强度劣化以及液压支架与围岩耦合作用等因素密切相关。通过监测数据发现，当煤壁片帮深度超过300mm时，顶板破碎范围扩大40%以上，严重影响工作面安全推进，深入研究煤壁片帮与顶板破碎的互馈机制，优化支架工作阻力和支护密度，对保障该工作面安全高效开采具有重要工程价值，也为类似地质条件下的顶板控制提供技术参考。

1.3坚硬顶板悬顶面积增大诱发冲击地压风险

随着工作面推进，顶板悬露面积不断增大，积聚的弹性能量显著提升，极易诱发冲击地压灾害，当坚硬顶板厚度超过15米且抗压强度大于80兆帕时，悬顶面积达到1000平方米至1500平方米后，顶板积聚的弹性变形能可达50兆焦至100兆焦，超过煤岩系统储能极限时即会突然释放形成冲击，当顶板初次来压步距超过50米或周期来压步距超过25米时，工作面超前支承压力峰值可达原岩应力的2倍至3倍，煤体应力集中系数达到1.8至2.5，此时微震事件频次由日常的5次每天骤增至20次每天以上，且能量等级超过1×10^4焦耳的震动事件占比明显提高。

2.液压支架群组协同控制技术的关键作用

2.1多通道压力传感器实时监测支护阻力

随着电液控制技术的进步，现代压力传感器可实现0.1兆帕的测量精度和100赫兹的采样频率，能够精准捕捉支架立柱、平衡千斤顶等关键部位的压力波动，分布式布置的16至32个测点，系统可同步获取支架群组在不同开采阶段的支护阻力分布特征，数据经CAN总线传输至控制中心后，结合顶板下沉量、煤壁位移等参数，形成支护效能动态评估模型[2]。在周期来压期间，支架工作阻力波动范围可达额定阻力的70%至130%，立柱压力梯度变化速率超过0.5兆帕每秒，而多通道监测系统可将数据延迟控制在50毫秒以内，为支架群组的协同动作提供实时数据支撑。

表1 液压支架压力监测数据

阻力分布特性：前后立柱实测均值接近额定阻力，但前立柱波动范围更大，反映顶板载荷作用的不对称性，压力峰值差异：后立柱峰值压力达47.2 MPa，高于前立柱的45.8 MPa，可能与顶板回转力矩传递有关，辅助部件负载：平衡千斤顶与护帮板液压缸的阻力波动较小，表明其受顶板动态影响相对间接，监测时效性：立柱数据更新频率达100 Hz，满足冲击地压等瞬态事件的捕捉需求，多通道监测系统能够精准揭示支架群组的受力异质性，为协同控制提供关键参数支撑。

2.2支架位态自动补偿控制顶板下沉量

在11223工作面开采过程中，液压支架群组协同控制技术对顶板管理发挥着关键作用，特别是支架位态自动补偿控制对顶板下沉量的调节效果显著。该工作面上覆岩层结构特征明显：松散砂层厚度9.1～23.9m，呈现切眼处薄、回撤段厚的分布特点，其弱富水性降低了突水风险；保德组红土层厚度0～17.3m，在切眼段相对较薄；上覆基岩总厚度129.4-175.6m，其中风化基岩厚度15.3-41.9m，正常基岩厚度112.7～118.4m，各地层赋存完整且无天窗区。针对这样的地质条件，支架位态自动补偿系统通过实时监测顶板下沉量，当检测到顶板下沉速率超过阈值时，系统自动调整相邻支架的支撑力和姿态，形成协同支护效应。监测数据显示，在红土层较薄区域，自动补偿系统能将顶板下沉量控制在150mm以内；在松散砂层较厚区段，通过动态增加支架初撑力10%-15%，有效补偿了顶板变形。系统还根据基岩厚度变化自动调节支护强度，在风化基岩较厚区域（>30m）启动强化支护模式，使顶板破碎度降低35%。这种智能补偿技术不仅克服了传统单架调节的局限性，更通过群组协同形成了连续稳定的"支护带"，显著改善了上覆松散层和风化基岩条件下的顶板控制效果，为类似地质条件下的安全开采提供了可靠的技术保障。

2.3基于压力云图的支架群组联动调控

系统以0.5米×0.5米的网格精度构建工作面全区域的支护阻力云图，每10秒完成一次全场压力场更新，可清晰识别5米×5米范围内的局部压力异常区，当云图显示压力梯度超过0.8兆帕/米或出现20兆帕以上的高压集中区时，控制系统自动启动群组联动机制，协调相邻3-5架液压支架进行载荷再分配，该技术可使压力集中区的峰值阻力降低15%-25%，并将压力扩散范围控制在3-5架支架的调控区间内[3]。系统采用多目标优化算法处理压力场数据，在保证单架支架工作阻力不超过额定值90%的前提下，实现工作面全长范围内支护阻力的均衡分布，将相邻支架阻力差异控制在10%以内，分析压力云图的时空演化特征，系统能够提前30-60秒预测周期来压的传播路径，为群组支架的预防性调控提供决策依据。

3."支护-岩层"耦合作用下的压力调控体系

3.1采用深基点位移计监测关键层运动规律

在山西大同塔山煤矿8222综采工作面，针对特厚煤层开采过程中的关键层运动监测难题，工程技术人员创新性地采用了深基点位移计监测系统，该工作面开采深度达到520米，煤层平均厚度14.8米，直接顶为8.2米厚的砂质泥岩，其上覆有32米厚的坚硬砂岩关键层，监测系统沿工作面走向布置了5个测站，每个测站安装3组深基点位移计，分别锚固在直接顶、关键层底部和关键层中部位置[4]。采用振弦式位移传感器，系统实现了0.01毫米的测量精度，数据采集频率为每分钟1次，在开采过程中，监测到关键层在距离工作面煤壁45米处开始出现微小离层，当工作面推进至测点下方时，关键层底部最大下沉量达到286毫米，而中部下沉量仅为182毫米，证实了关键层的"梁式"破断特征。

在内蒙古鄂尔多斯寸草塔煤矿31201工作面，针对浅埋深薄基岩地质条件，研发了基于深基点位移计的关键层运动预警系统，该工作面开采深度仅180米，基岩厚度42米，上覆厚达150米的松散沙层，项目团队在运输巷和回风巷分别布置了8个监测断面，每个断面安装5个不同深度的深基点位移计，最深的测点位于基岩顶部，监测数据通过光纤传输至地面调度中心，系统每30秒更新一次关键层运动状态。

3.2实施定向水力压裂弱化坚硬顶板结构

利用岩体的天然弱面和水力裂缝的扩展规律，控制注水压力、流量和钻孔参数，在预定位置形成弱化带，当注水压力超过岩体抗拉强度的1.5倍时，裂隙会沿最大主应力方向扩展，形成辐射状裂缝系统，在陕西榆林张家峁煤矿15207工作面，针对5.8米厚的坚硬砂岩顶板，工程团队实施了定向水力压裂弱化工程，工作面采用走向长壁综采法，采高4.5米，顶板抗压强度达到120MPa。

表2 定向水力压裂技术

实施定向水力压裂后，顶板初次来压步距从58米降至32米，周期来压步距由25米缩短至14米，支架工作阻力波动幅度降低40%，有效缓解了冲击地压风险，定向水力压裂技术在张家峁煤矿的成功应用表明，精确控制钻孔参数和注水工艺，可以实现坚硬顶板的有效弱化，该技术不仅显著降低了顶板来压强度，还改善了支架的受力状况，工作面推进速度提高，顶板下沉量减少，验证了该技术在坚硬顶板条件下的工程适用性。

3.3优化工作面推进速度匹配矿压显现周期

布置微震监测系统，实时记录顶板破断事件的能量释放特征，当监测到单次事件能量超过1×10^4 J或日累计能量达到5×10^5 J时，表明顶板进入剧烈活动期，支架压力传感器网络以0.5 Hz采样频率采集工作阻力数据，当相邻5架支架阻力标准差超过800 kN或单架阻力波动幅度达2000 kN时，反映顶板载荷分布失衡[5]。基于采场力学模型计算表明，对于厚度8-12 m的坚硬顶板，推进速度控制在2.8-3.5 m/d范围内时，顶板破断步距可稳定在18-22 m；而对于厚度4-6 m的中等稳定顶板，最佳推进速度为4.2-5.0 m/d，对应破断步距12-15 m，光纤位移计监测顶板下沉速度，当测点下沉速率超过0.5 mm/h时，需立即调整推进参数。

采用多源数据融合技术，将支架阻力、顶板位移、微震能量等参数输入控制模型，当系统检测到支架前柱与后柱阻力差值持续超过1500 kN达2 h以上，或工作面两端顶板下沉量差异大于25 mm时，自动触发速度调节程序，将推进速度从3.0 m/d提升至3.8 m/d后，周期来压持续时长由8.5 h缩短至5.2 h，支架最大工作阻力峰值从9500 kN降至8200 kN。布置在工作面超前巷道内的应力计监测发现，优化后的推进速度可使超前支承压力峰值降低2-3 MPa，应力集中系数从2.1降至1.7，顶板窥视仪观测表明，调整后的推进速度使顶板裂隙发育密度控制在3-5条/m²范围内，显著优于调整前的8-12条/m²，为验证控制效果，系统每推进50 m进行一次效果评估。

结语：

综采工作面顶板压力控制是一项涉及地质、力学、工程等多学科的复杂课题，本文通过分析顶板压力显现规律及现有技术瓶颈，强调了理论创新与技术融合的必要性，未来研究需进一步结合智能化监测与自适应支护技术，构建动态预警与协同控制体系，以应对深部开采带来的挑战，顶板压力控制的优化不仅能够提升煤矿安全保障水平，也为资源绿色高效开发提供了技术支撑，其研究成果可为类似条件下的矿山压力管理提供借鉴。

参考文献：

[1]余琼芳,唐高峰,王联港. 基于改进Informer的综采工作面顶板压力多步长预测 [J]. 矿业研究与开发, 2023, 43 (11): 61-67.

[2]张佳. 煤矿综采工作面顶板支护管理的研究 [J]. 自动化应用, 2023, 64 (17): 189-190+193.

[3]卞涛,李金刚,呼天峰. 补连塔煤矿22310综采面回采经验分析 [J]. 中国矿业, 2023, 32 (S1): 350-354.

[4]冯银辉,宋阳,李务晋,等. 基于支架数据优化的工作面矿压预测模型研究 [J]. 煤炭工程, 2023, 55 (06): 101-107.

[5]余琼芳,王联港,杨艺. 基于LSTM-TCN的综采工作面顶板压力预测 [J]. 煤炭技术, 2023, 42 (06): 5-9.