同忻煤礦大采高綜放開采工作面礦壓研究

趙 杰，杜學(xué)領(lǐng)

（1.山西保利平山煤業(yè)股份有限公司，山西 沁水 048205；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083）

1 工作面概況

同忻煤礦8101工作面位于井下3-5號煤層北一盤區(qū)2101巷與5101巷之間，為該盤區(qū)首采工作面，地面標(biāo)高1 192.3～1 282.5 m，井下標(biāo)高781.1～796.3 m，平均可采走向長度1 678.05 m，工作面傾斜長度199.5 m。所采煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層厚度11～23.64 m，平均厚度14.13 m，煤層傾角0°～4°，平均1°。8101工作面采用單一走向長壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤開采，采高3.9 m，放煤厚度10.23 m，采放比約為1∶2.6。使用Eickhoff SL-500AC型采煤機(jī)落煤裝煤，42×1000×268AFC 2×1050 kW TTT 型前部刮板運輸機(jī)和 42×1250×268AFC 2×1050 kW TTT 型后部刮板運輸機(jī)運煤，ZF15000/27.5/42型低位放頂煤支架支護(hù)頂煤、頂板。按一刀一放多輪間隔順序放煤的正規(guī)循環(huán)作業(yè)，循環(huán)進(jìn)度、放煤步距都為0.8 m，直到工作面停采線前40 m。停采線前40 m到停采線，只割煤不放煤。頂板管理采用自然垮落法。

2 礦壓觀測方案

在8101工作面布置11個測站，測站沿工作面均勻布置，見圖1。測站位置分別為工作面9號、19號、29號、39號、49號、59號、69號、79號、89號、99號和109號液壓支架處。

圖1 8101工作面礦壓觀測測站布置圖

8101工作面礦壓觀測主要包括：在線監(jiān)測、日常監(jiān)測記錄和落實整改三個方面，8101工作面長199.5 m，支架數(shù)量118架，在工作面設(shè)10個壓力分機(jī)，壓力分機(jī)的3個接口分別接支架的前柱、后柱的下腔，從9號支架開始每間隔9個支架安設(shè)一組。采用山東尤洛卡公司的KJ216型綜采支架壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)對工作面支架的載荷及其工況連續(xù)監(jiān)測，在未安裝自動監(jiān)測系統(tǒng)的支架上安裝一組數(shù)顯壓力表，對前柱、后柱的下腔壓力監(jiān)控，用于檢測支架的初撐力和工作阻力。

3 觀測結(jié)果分析

3.1 工作面支架的承載特性和適應(yīng)性分析

8101面支架阻力監(jiān)測持續(xù)9個月,支架載荷數(shù)據(jù)包括：在線連續(xù)監(jiān)測壓力變化曲線及日常綜采面支架壓力采集表。

1）支架支護(hù)阻力的頻率分布。通過對工作面采集的支架立柱的所有液壓信息進(jìn)行分析后，得出液壓支架支護(hù)阻力分布情況。①實測結(jié)果表明，8101面支架支護(hù)阻力分布頻率以區(qū)間24～30 MPa所占比率最大。②8101面支架支護(hù)阻力>36 MPa占總體支架支護(hù)阻力比例不大。其中，在工作面中部工作阻力>36 MPa所占比率要大于兩端，說明中部支架所承受的最大來壓強度要大于兩端。來壓期間，個別支架工作阻力超過額定阻力，安全閥開啟，給安全帶來隱患，來壓期間必須加強工作面支護(hù)管理工作。③支架阻力分布頻率中，區(qū)間0～6 MPa的分布頻率占總體分布比率較大，其中，后柱支護(hù)阻力分布于區(qū)間0～6 MPa比率明顯大于前柱。前柱>36 MPa明顯多于后柱，說明前柱工作阻力大于后柱。④除部分支架阻力開啟安全閥、支架發(fā)生壓裂情況，總體上支架運行狀態(tài)基本能滿足工作面的支護(hù)需求，支架性能可以得到充分發(fā)揮。

2）支架工作阻力工作特性與適應(yīng)性分析。圖2為支架支護(hù)阻力統(tǒng)計圖，由圖可知，工作面全體支架平均支護(hù)阻力31 MPa，占額定工作阻力的51.60%，工作阻力可以滿足工作面實際開采的要求。工作面支架前后柱載荷比最小1.07，最大1.69，平均1.35。

圖2 支架支護(hù)阻力統(tǒng)計分析

3.2 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

1）工作面周期來壓分析。依據(jù)工作面液壓支架的運行狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果、各測線液壓信息均值進(jìn)行分析、統(tǒng)計，繪制全過程支架工作阻力趨勢曲線圖，取工作面的推進(jìn)度為橫坐標(biāo)（以開始觀測時為0計起，至工作面推進(jìn)200 m為止），取工作面支架工作阻力值為縱坐標(biāo)，分析工作面沿走向方向的礦壓分布規(guī)律。分別對39號、49號、59號、69號、79號和89號支架工作阻力均值在一個月內(nèi)變化進(jìn)行了曲線繪制。圖3為整個工作面支架阻力曲線圖。

圖3 整個工作面支架支護(hù)阻力變化曲線

由此可見，該工作面頂板來壓周期平均3～5 d，來壓步距多為19.1～26.6 m，平均22.22 m，來壓步距相差較大，來壓持續(xù)時間較短，在來壓期間個別支架工作阻力超過額定阻力。單個支架的變化曲線可以看出，來壓期間很多支架的液柱值都達(dá)到38 MPa，因此合理的支護(hù)阻力底限值應(yīng)大于38 MPa。

2）來壓時與未來壓時整個工作面支架支護(hù)阻力對比分析。通過采集到數(shù)據(jù)，觀測到10次來壓，整理典型來壓時間段整個工作面立柱液壓數(shù)據(jù)，繪制對比曲線圖總結(jié)8101綜放工作面來壓規(guī)律，為評價支架—圍巖的適應(yīng)性提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。見圖4、圖5，黑色曲線代表來壓時阻力變化，立柱液壓在工作面中部達(dá)到最大，且在中部極值點相對比較集中，分布面也較廣，在工作面上部和下部也出現(xiàn)了極大值點，分布面不如中部廣，整個工作面立柱液壓值普遍較大，前柱液壓普遍大于后柱。淺色曲線代表未來壓期間阻力變化。由圖得出：立柱液壓集中分區(qū)比較明顯，液壓峰值出現(xiàn)在工作面中部，但極值點分布很離散，而工作面上部和下部也出現(xiàn)離散的極大值點，整個工作面立柱液壓分布較來壓時普遍偏低，前柱液壓值普遍大于后柱。

綜上所述，工作面來壓期間整個工作面立柱液壓出現(xiàn)持續(xù)偏高，未來壓時整個工作面立柱液壓分布普遍較低，液壓峰值均出現(xiàn)在工作面中部，且中部液壓分布較上部和下部面廣，來壓時出現(xiàn)較高液壓值的分布范圍較大，而未來壓時只出現(xiàn)了相對較為離散的高液壓值，前柱壓力普遍大于后柱。由圖4、圖5可知，來壓期間，前柱增載系數(shù)1.14，后柱增載系數(shù)1.22。

圖4 工作面來壓時與未來壓時支架前柱工作阻力對比圖

圖5 工作面來壓時與未來壓時支架后柱工作阻力對比圖

4 結(jié)論

1）工作面全體支架平均支護(hù)阻力18.31 MPa，占額定工作阻力的51.60%，支架是較富裕的，工作阻力滿足工作面實際開采要求。

2）工作面存在周期來壓現(xiàn)象，但是周期來壓不明顯。從單個支架的變化曲線看出，來壓期間很多支架的液柱值都達(dá)到38 MPa，8101工作面頂板來壓周期平均 3～5 d，來壓步距 19.1～26.6 m，平均 22.22 m，來壓持續(xù)時間較短，來壓期間，增載系數(shù)1.18，一些支架工作阻力超過額定阻力，部分支架工作阻力達(dá)到安全閥開啟值；安全閥開啟后的來壓期間必須加強工作面支護(hù)管理，因此合理的支護(hù)阻力底限值應(yīng)大于38 MPa。

3）8101綜放面綜采支架前柱的工作阻力普遍大于后柱；8101工作面支架前后柱載荷比最小1.07，最大1.69，平均載荷比1.35。

4）工作面中部支架的工作阻力普遍大于兩端，來壓期間，前柱增載系數(shù)1.14，后柱增載系數(shù)1.22。

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