綜放工作面頂板來(lái)壓規(guī)律及其控制技術(shù)研究

周 宇 秦 浩 韓慧棟

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

頂板巖層移動(dòng)是導(dǎo)致綜放工作面的支架工作阻力發(fā)生變化的直接原因，需要現(xiàn)場(chǎng)對(duì)支架工作阻力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，明確采面推進(jìn)度與支架工作阻力的關(guān)系，并得出綜放面頂板的活動(dòng)規(guī)律[1-3]。為了探明工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，本研究以伯方煤礦綜放工作面為例，對(duì)其礦壓情況進(jìn)行了測(cè)量，獲取了周期來(lái)壓和支架工作阻力等指標(biāo)，探明了支架與圍巖之間的相互作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)綜放面頂板壓力分布規(guī)律的了解，為回采工作的安全性奠定了良好的前提條件。

1 概況

3205綜放工作面位于二盤(pán)區(qū)運(yùn)輸巷左翼，北部與3207工作面相鄰，南與3203工作面相鄰，東側(cè)與二盤(pán)區(qū)運(yùn)輸、軌道和回風(fēng)巷相接。工作面走向長(zhǎng)度為1384m，傾斜長(zhǎng)度為157m，開(kāi)采3#煤層，區(qū)域內(nèi)煤層厚度穩(wěn)定，平均厚度為5.31m，煤層傾角2～10°，平均為4°。煤層直接頂為5.51m厚灰黑色粉砂巖，薄層狀，含砂質(zhì)不多且均為中部稍粗含星散狀黃鐵礦及結(jié)核；基本頂為4.5m厚中粒砂巖，上部含云母較多粘土膠結(jié)，含泥質(zhì)包裸體；直接底為1.6m厚黑灰色細(xì)砂巖，薄層層理發(fā)育，層面平整；基本底為4.32m厚灰黑色薄層砂質(zhì)泥巖，以粘土為主含多量云母。針對(duì)工作面頂板的管理，實(shí)施全部垮落法和傾斜長(zhǎng)壁綜采放頂煤法，同時(shí)采用ZFG4800/18/30型過(guò)渡架（6架）以及ZF4400/17/28型中間架完成對(duì)頂板的支護(hù)。

2 礦壓規(guī)律實(shí)測(cè)

2.1 觀測(cè)方案

本研究將KJ24型礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（山東 思科賽德）作為觀測(cè)器，監(jiān)測(cè)主要針對(duì)3205綜放工作面ZF4400/17/28型液壓支架，支架上安裝礦用本安型數(shù)字壓力計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓支架立柱工作阻力，工作面內(nèi)共安裝無(wú)線數(shù)字壓力計(jì)17臺(tái)。自工作面1號(hào)架開(kāi)始向機(jī)尾方向每5～7架安裝一臺(tái)（架號(hào)為：1#、8#、15#、23#、28#、33#、42#、49#、57#、64#、65#、70#、78#、85#、89#、93#、96#），本文以8#液壓支架觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行分析。

2.2 液壓支架工作阻力曲線

對(duì)8#液壓支架的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，液壓支架的工作阻力變化曲線如圖1所示，通過(guò)分析圖1可知：（1）液壓支架在達(dá)到初撐力后，支架阻力處于增阻狀態(tài)；（2）工作面靠近運(yùn)輸巷側(cè)多數(shù)支架工作阻力較低，多數(shù)處于3000kN以下；靠近軌道巷側(cè)支架工作阻力較高，受工作面上、下段推采空間因素影響，軌道巷側(cè)支架處在傾向應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)加強(qiáng)此段頂板管理；（3）工作面多數(shù)液壓支架的工作阻力較低，前、后柱工作阻力狀態(tài)不平衡，工作阻力均小于額定工作阻力值，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)加強(qiáng)工作面工作阻力與支架狀態(tài)管理；（4）工作面基本頂周期來(lái)壓距離為11.98～19.03m，平均15m。

圖1 8#支架工作阻力曲線圖

2.3 液壓支架工作阻力頻率分布

在對(duì)液壓支架的工作性能進(jìn)行評(píng)判的過(guò)程中，通常將液壓支架工作阻力頻率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。若工作阻力呈現(xiàn)出正態(tài)分布特點(diǎn)，表明液壓工作阻力處于合理區(qū)間[4-6]。本研究將每個(gè)區(qū)間的寬度作為劃分依據(jù)，將寬度定為850kN，計(jì)算出在不同區(qū)段內(nèi)的液壓支架工作阻力（如圖2所示）。

圖2結(jié)果顯示，液壓支架的工作阻力呈現(xiàn)非正態(tài)分布的特征，絕大部分工作阻力介于3400kN以下，未達(dá)到額定工作阻力要求。從整體來(lái)看，所有液壓支架的工作阻力小于額定工作阻力，表明液壓支架選型具有合理性，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板的控制要求。

圖2 8#支架工作阻力分布直方圖

2.4 液壓支架受力分析

2.4.1 液壓支架初撐力分析

為了獲悉液壓支架初撐力是否處于合理區(qū)間，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析了8#支架初撐力的分布區(qū)間以及前后柱初撐力的平均值（如圖3所示）。ZF4400/17/28型液壓支架額定初撐力為4000kN，從圖3可以看出，工作面支架的初撐力處于1710kN以下的比例占49.3%，處于1710～3420kN的比例占41.5%，處于3420～4000kN的比例占9.9%，生產(chǎn)中需要加強(qiáng)支架初撐力的管理，避免因初撐力過(guò)低頂板回轉(zhuǎn)向支架施加過(guò)大的沖擊載荷。

圖3 8#支架初撐力頻率分布直方圖

2.4.2 工作面傾向液壓支架壓力分布

表1結(jié)果顯示，工作面液壓支架循環(huán)末阻力為1809.4～5173.8kN，平均循環(huán)末阻力為2951.2kN，是額定工作阻力的49.2%。

表1 支架平均循環(huán)末阻力統(tǒng)計(jì)

3 來(lái)壓期間工作面頂板控制

在工作面回采過(guò)程中，為消除頂板來(lái)壓對(duì)工作面生產(chǎn)造成的威脅，在頂板來(lái)壓期間對(duì)頂板實(shí)施深孔爆破強(qiáng)制放頂技術(shù)。采用煤礦許用乳化炸藥對(duì)工作面頂板進(jìn)行爆破。在工作面回風(fēng)順槽、運(yùn)輸順槽2條巷道內(nèi)進(jìn)行布孔，巷道內(nèi)每組分別布置一個(gè)基本頂孔、一個(gè)輔助孔、一個(gè)端頭孔。三級(jí)煤礦許用乳化炸藥爆速≥2800m/s，殉爆距離≥2cm，導(dǎo)爆索采用煤礦安全防水抗拉導(dǎo)爆索，雷管采用毫秒延期電雷管；裝藥結(jié)構(gòu)：兩根起爆導(dǎo)爆索分別靠近炮頭及二次炮頭的1m和5m處，炮孔編號(hào)如下：1號(hào)孔和2號(hào)孔分別為回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷下幫基本頂切斷孔，3號(hào)孔和4號(hào)孔分別為運(yùn)輸巷上幫端頭切斷孔和回風(fēng)巷下幫基本頂切斷孔，5號(hào)孔和6號(hào)孔分別為運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷輔助孔。炮孔參數(shù)如表2所示。

表2 各個(gè)位置炮孔參數(shù)

本研究結(jié)合頂板的巖體結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，依據(jù)松動(dòng)爆破原則，運(yùn)用類(lèi)比方法，獲取所選擇炸藥的單耗，實(shí)施不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。為了形成起爆的保障，將兩根導(dǎo)爆索與每個(gè)炮孔的炸藥串進(jìn)行連接，分別將藥卷插入主、副導(dǎo)爆索的孔底以及距離孔底4～5m處，藥卷長(zhǎng)度均應(yīng)在200mm以上，借助于毫秒延期雷管完成引爆，每次起爆一組炮孔，且需要確保同一炮孔雷管段的一致性。

3205綜采工作面平均推進(jìn)10.0m 時(shí)，工作面中下部頂板開(kāi)始冒落，局部地段冒落較嚴(yán)實(shí)，當(dāng)工作面推進(jìn)到15.0m 時(shí)，采空區(qū)頂板全部跨落，采空區(qū)充填嚴(yán)實(shí)，采空區(qū)冒落高度、冒落塊度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期放頂效果。

4 結(jié)論

（1）3205綜放工作面基本頂?shù)闹芷趤?lái)壓距離介于11.98m到19.03m之間，平均來(lái)壓距離為15m。

（2）工作面支架的初撐力處于1710 kN以下的比例占49.3%，處于1710～3420kN的比例占41.5%，處于3420～4000kN的比例占9.9%，生產(chǎn)中需要加強(qiáng)支架初撐力的管理，避免因初撐力過(guò)低頂板回轉(zhuǎn)向支架施加過(guò)大的沖擊載荷。液壓支架前后柱循環(huán)末阻力之比在51.4%～1125.4%之間，平均為136.7%，說(shuō)明液壓支架前后柱受力極不均，這與工作面狀態(tài)有關(guān)，推采期間液壓支架前柱工作阻力偏大。

（3）在周期來(lái)壓期間，應(yīng)采用深孔爆破技術(shù)完成強(qiáng)制放頂工作，形成工作面全部垮落的保障，提升工作面回采工作的安全性。