厚煤層綜放工作面不同來(lái)壓判據(jù)對(duì)比分析

梁向輝

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)金辛達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

綜采工作面支架工作阻力的變化正是由于頂板巖層變形移動(dòng)引起的[1]，在工程實(shí)際應(yīng)用中，一般通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)支架工作阻力，研究支架平均工作阻力變化與工作面相應(yīng)回采位置之間的相關(guān)性，分析總結(jié)工作面頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，用以推斷工作面上覆巖層活動(dòng)規(guī)律。統(tǒng)計(jì)分析支架實(shí)測(cè)工作阻力值時(shí)，正確的選擇來(lái)壓判斷依據(jù)，是決定分析結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。尤其是在采用放頂煤開采工藝的工作面，由于支架上方頂煤的存在，支架與頂板相互作用機(jī)理與其他采煤工藝存在一定的差異，所以合理選擇來(lái)壓判斷依據(jù)顯得更為重要。

1 兩種來(lái)壓判據(jù)的適用性

1.1 時(shí)間加權(quán)平均工作阻力

通過(guò)支架工作阻力分析工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律時(shí)，一般選用來(lái)壓判據(jù)是以支架時(shí)間加權(quán)平均工作阻力，加上其均方差σ，即以作為采面頂板來(lái)壓的臨界值[2]。加權(quán)平均值在實(shí)際統(tǒng)計(jì)分析中相對(duì)比較簡(jiǎn)單，尤洛卡等礦壓監(jiān)測(cè)分析軟件多采用此算法，但是對(duì)于不同條件、不同采煤工藝的工作面存在一定的局限性。礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的支架實(shí)際最大工作阻力，與支架初撐力以及移架作業(yè)循環(huán)持續(xù)時(shí)間有關(guān)。支架初撐力越大，移架循環(huán)持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，實(shí)測(cè)支架最大工作阻力就越大，反之，越小。支架初撐力的大小，除受作業(yè)人員移架質(zhì)量影響外，很大程度上與支架上方直接接觸的頂板完整程度有關(guān)。綜采放頂煤工作面由于支架上方頂煤放出的影響，頂板往往不完整，支架初撐力普遍比較低，實(shí)測(cè)的支架工作阻力普遍存在差異較大的現(xiàn)象，對(duì)工作面來(lái)壓規(guī)律的統(tǒng)計(jì)分析也會(huì)有較大影響。

綜采放頂煤開采過(guò)程中，支架的支撐力不是直接作用于煤層直接頂，而是通過(guò)支架上方頂煤，間接地對(duì)頂板進(jìn)行控制[3]。后溜放煤過(guò)程中，支架掩護(hù)梁上方頂煤放出的同時(shí)，在礦壓以及支架反復(fù)支撐頂煤的共同作用下，控頂區(qū)上方的部分頂煤也會(huì)提前冒落，造成支架后立柱處頂梁不能有效接觸頂板，從而造成支架整體初撐力低，實(shí)測(cè)支架工作阻力也會(huì)相應(yīng)較低；再者，割煤、移架、放煤、檢修等不同作業(yè)時(shí)段，移架循環(huán)的持續(xù)時(shí)間有較大差別，所以不同時(shí)段支架阻力平均值也會(huì)受采煤工藝影響。所以，若僅僅以作為來(lái)壓判據(jù)，可能會(huì)對(duì)工作面是否來(lái)壓造成誤判。

1.2 初增阻速度

根據(jù)移架循環(huán)內(nèi)支架工作阻力的變化特點(diǎn)，其增阻過(guò)程包括三個(gè)階段[4]（如圖1）：①t1階段：移架結(jié)束后，支架工作阻力最低，頂板下沉，支架支護(hù)阻力迅速升高，對(duì)頂板起到有效支撐，此階段支架增阻速率較大，稱為急增阻階段，一般持續(xù)時(shí)間在30 min左右；②t2階段：經(jīng)過(guò)支架急增阻過(guò)程后，支架工作阻力已基本達(dá)到支撐頂板下沉的能力，頂板下沉緩慢，礦壓變化趨于平穩(wěn)，支架增阻速率較小，稱為緩增阻階段。此階段一直持續(xù)至下一移架作業(yè)循環(huán)前，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，支架最大工作阻力越大；③t3階段：在下一作業(yè)循環(huán)移架前，受相鄰1～2部支架降架的影響，頂板壓力會(huì)在一定程度上向其他支架轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致支架工作阻力迅速升高，增阻速率較大，但變化幅度一般比較小，持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)。

圖1 支架增阻過(guò)程實(shí)測(cè)曲線

支架工作阻力是工作面頂板下沉的反作用力，兩者存在正相關(guān)關(guān)系。所以，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析支架的增阻速度，同時(shí)，結(jié)合支架最大工作阻力，可以推斷工作面上覆巖層活動(dòng)的劇烈程度，作為分析判斷工作面來(lái)壓情況依據(jù)。

通過(guò)支架工作阻力變化的三個(gè)時(shí)段機(jī)理分析可以看出，t1階段是工作面上覆巖層下沉或斷塊回轉(zhuǎn)活動(dòng)表現(xiàn)最為明顯的階段，所以支架急增阻階段的支架增阻速度，即支架的初增阻速度，是衡量上覆巖層活動(dòng)劇烈程度的較好參數(shù)。根據(jù)一般工作面作業(yè)循環(huán)時(shí)間，t1階段一般不超過(guò)一個(gè)小時(shí)，所以，可選擇移架結(jié)束后一個(gè)小時(shí)內(nèi)支架的工作阻力變化量計(jì)算支架初增阻速度。即支架初增阻速度為：

式中：

Pv-支架的初增阻速度，kN/h；

P1-移架后1 h時(shí)支架工作阻力，kN；P0-支架的初撐力，kN。

2 兩種來(lái)壓判據(jù)的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)比較

2.1 實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比

金辛達(dá)11101綜放工作面平均埋深200 m，工作面走向長(zhǎng)度940 m，切眼長(zhǎng)度150 m，賦存條件穩(wěn)定，煤厚平均6 m。煤層頂板為K2灰?guī)r，平均厚度10.24 m，致密，堅(jiān)硬，局部有裂隙；底板為泥巖粉砂巖互層，平均厚度3.1 m。

工作面采用走向長(zhǎng)壁布置，綜采放頂煤采煤工藝?；夭善陂g，利用尤洛卡系列KJ653煤礦無(wú)線頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)工作面支架工作阻力進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。工作面共計(jì)101部支架，每8架安裝一臺(tái)無(wú)線礦壓監(jiān)測(cè)壓力表，對(duì)13部支架進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本文對(duì)工作面初采期間支架工作阻力監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)內(nèi)容包括支架的初撐力、時(shí)間加權(quán)平均工作阻力、循環(huán)末阻力、初增阻速度。

圖2 支架來(lái)壓統(tǒng)計(jì)曲線

圖2所示的統(tǒng)計(jì)曲線，是根據(jù)工作面中部支架工作阻力實(shí)測(cè)值，分別以傳統(tǒng)的時(shí)間加權(quán)平均工作阻力判斷依據(jù)和支架初增阻速度判斷依據(jù)，統(tǒng)計(jì)繪制的工作面礦壓顯現(xiàn)曲線。從曲線可以看出，工作面推進(jìn)至26m左右時(shí)發(fā)生初次來(lái)壓，推進(jìn)至45m左右時(shí)發(fā)生第一次周期來(lái)壓。前兩次來(lái)壓時(shí)，利用上述兩種來(lái)壓判據(jù)，分析判斷結(jié)果一致。在工作面回采至60～100m期間，根據(jù)時(shí)間加權(quán)平均工作阻力統(tǒng)計(jì)曲線分析判斷，工作面未發(fā)生周期來(lái)壓；推進(jìn)至75m、88m位置時(shí)，有增大的趨勢(shì)，但最大阻力值沒有達(dá)到來(lái)壓的臨界值。根據(jù)支架初增阻速度統(tǒng)計(jì)曲線顯示，工作面推進(jìn)至75 m、88 m位置時(shí)，支架升架后，工作阻力迅速升高，增阻速度明顯比其他時(shí)段大，超過(guò)增阻速度來(lái)壓臨界值，說(shuō)明此時(shí)工作面上覆巖層下沉活動(dòng)明顯，工作面發(fā)生周期來(lái)壓。

2.2 原因分析

時(shí)間加權(quán)平均工作阻力是工作面整個(gè)作業(yè)循環(huán)過(guò)程中，支架在特定時(shí)間段內(nèi)工作阻力的真實(shí)反映。支架工作阻力往往會(huì)受到工作面頂?shù)装鍡l件、支架工移架操作不規(guī)范等因素的影響。尤其是在綜采放頂煤工作面中，頻繁移架過(guò)程中，支架上方頂煤遭到破壞，放煤時(shí)，支架主頂梁上方頂煤容易提前被放出，容易導(dǎo)致支架主頂梁后半部分不能有效支護(hù)頂板，支架初撐力普遍較低，所以在工作面來(lái)壓顯現(xiàn)程度不明顯的情況下，支架實(shí)際工作阻力會(huì)相應(yīng)較低，在一定程度上會(huì)掩蓋了工作面支架來(lái)壓特征，造成對(duì)工作面周期來(lái)壓的誤判，但是從支架的最大工作阻力來(lái)看，工作面實(shí)際上也發(fā)生了來(lái)壓現(xiàn)象。

圖3 支架實(shí)測(cè)工作阻力曲線

圖3為11101綜放面在回采至65～100 m期間支架的初撐力及其最大工作阻力統(tǒng)計(jì)曲線。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，在此回采區(qū)間，現(xiàn)場(chǎng)支架實(shí)測(cè)的初撐力普遍偏低，監(jiān)測(cè)值均在2000～3000 kN左右，均達(dá)不到支架額定工作阻力（7200 kN）的80%，從而導(dǎo)致了支架時(shí)間加權(quán)平均工作阻力統(tǒng)計(jì)結(jié)果值較低。從支架實(shí)測(cè)的循環(huán)末阻力統(tǒng)計(jì)曲線可以看出，采面回采至75m、88m前后時(shí)，支架實(shí)測(cè)循環(huán)末阻力分別為7235kN和6875kN，達(dá)到了支架的額定工作阻力，并且明顯大于時(shí)間加權(quán)平均阻力的來(lái)壓判據(jù)臨界值4553 kN，可以判斷，工作面回采至此位置時(shí)，發(fā)生了周期來(lái)壓現(xiàn)象。但是根據(jù)支架時(shí)間加權(quán)平均工作阻力統(tǒng)計(jì)結(jié)果，工作面回采至此位置時(shí)，其相應(yīng)統(tǒng)計(jì)值分別為4300 kN和3438 kN，都低于工作面來(lái)壓判斷的臨界值，造成了工作面此時(shí)沒有發(fā)生周期來(lái)壓的錯(cuò)誤判斷結(jié)果。然而，根據(jù)支架初增阻速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析判斷，采面回采至75m、88m前后，移架完成后，支架實(shí)測(cè)工作阻力迅速升高，支架的初增阻速度跟其他時(shí)段對(duì)比，明顯較大，可推斷，工作面回采至此處時(shí)，上覆巖層運(yùn)動(dòng)較為劇烈，采面發(fā)生了周期性來(lái)壓。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)金辛達(dá)煤業(yè)11101綜放面現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，分別選擇支架時(shí)間加權(quán)平均工作阻力和支架初增阻速度作為周期來(lái)壓判據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明：

（1）綜放開采工作面，由于受頂煤冒落、放煤的影響，支架的初撐力普遍達(dá)不到規(guī)定要求，常用的平均工作阻力來(lái)壓判據(jù)存在一定的局限性，在工作面來(lái)壓影響范圍較小或礦壓顯現(xiàn)不明顯時(shí)，會(huì)掩蓋掉支架的來(lái)壓特征，造成采面周期來(lái)壓步距統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果不準(zhǔn)確。

（2）支架初增阻速度作為工作面來(lái)壓判據(jù)，可以在很大程度上降低支架初撐力較低的影響，能夠更真實(shí)地反映出工作面頂板活動(dòng)的劇烈程度，從而對(duì)綜放工作面來(lái)壓與否能夠進(jìn)行更準(zhǔn)確的判斷。