補(bǔ)連塔礦12511綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

劉柄良

（國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)公司 補(bǔ)連塔煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017209）

根據(jù)國(guó)務(wù)院《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020 年）》[1]，神東礦區(qū)成為我國(guó)中間建設(shè)的14 個(gè)億噸級(jí)大型煤炭能源基地中之一，礦區(qū)煤礦儲(chǔ)量達(dá)1 349.4 億t，是我國(guó)目前規(guī)模最大的優(yōu)質(zhì)造氣動(dòng)力煤田，對(duì)于保障我國(guó)的能源安全發(fā)揮了了重要的作用[2-3]。區(qū)內(nèi)煤層埋藏淺、傾角小、厚度大，適用于大采高和特大采高綜采等煤炭開(kāi)采技術(shù)與方法[4-7]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)神東礦區(qū)內(nèi)不同開(kāi)采技術(shù)條件的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了大量研究，申路路等人[8]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論分析的方法對(duì)大柳塔礦大采高工作面巨厚基本頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)及運(yùn)移特征進(jìn)行分析，建立了巨厚基本頂周期來(lái)壓過(guò)程中巖層破斷模型。邸帥[9]等人以上灣煤礦12205 綜采工作面為例，采用理論分析、數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，研究綜采工作面在平直與山丘地形下礦壓顯現(xiàn)的異同，通過(guò)應(yīng)力傳遞力學(xué)模型確定山丘坡度、高度為礦壓顯現(xiàn)主要影響因素，進(jìn)而利用數(shù)值模擬分析坡度、高度對(duì)礦壓顯現(xiàn)的影響。楊俊哲、侯志成等人[10-11]以神東礦區(qū)7.0 m 特大采高工作面為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析和物理模擬的方法開(kāi)展礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究，結(jié)果表明特大采高工作面礦壓顯現(xiàn)較普通采高工作面更加強(qiáng)烈，7 m 大采高“刀把”工作面初采階段呈現(xiàn)出初次來(lái)壓步距較長(zhǎng)、來(lái)壓強(qiáng)度較低的礦壓規(guī)律。目前，針對(duì)近淺埋煤層8 m 特大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究還較少，因此，研究掌握淺埋深大采高和特大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對(duì)淺埋采場(chǎng)的合理支護(hù)、巷道開(kāi)挖與支護(hù)方式的選擇，均具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 工作面概況

補(bǔ)連塔煤礦12511 綜采工作面位于1-2 煤五盤(pán)區(qū)，工作面采用傾斜長(zhǎng)壁后退式開(kāi)采工藝，走向長(zhǎng)度319.1 m，傾向長(zhǎng)度3 139.3 m。開(kāi)采煤層平均厚度7.44 m，一次采全高，全部垮落法處理頂板，“U”型全負(fù)壓通風(fēng)方式。工作面北西方向?yàn)?2512 綜采工作面，南東方向?yàn)橐鸦夭傻?2510 綜采工作面，南西為設(shè)計(jì)中的12508 綜采工作面，北東方向?yàn)?-2煤五盤(pán)區(qū)3 條大巷。工作面上覆基巖厚度為233~271 m，直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度7.7 m；基本頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度96.1 m；松散層厚度為0～27 m，屬于近淺埋煤層[12-14]。12511 綜采工作面液壓支架共155 臺(tái)，均選用鄭煤機(jī)生產(chǎn)的掩護(hù)式液壓支架。其中，工作面中部架選用ZY21000/36.5/80D 型支架，共149 臺(tái)；端頭架選用ZYT18000/28/55D 型支架，共6 臺(tái)。

2 工作面礦壓實(shí)測(cè)及分析

2.1 工作面礦壓觀測(cè)方法

通過(guò)工作面安裝的尤洛卡支架阻力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)12511 綜采工作面初次來(lái)壓、周期來(lái)壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，工作面間隔5 架選取1 臺(tái)支架作為研究對(duì)象，即選取工作面編號(hào)為5#、10#、15#、…、155#支架作為分析目標(biāo)，以工作面每班推進(jìn)度與每班末支架阻力繪制工作面支架阻力云圖，圖中顏色由淺至深依次表示頂板壓力大小，通過(guò)顏色及深淺度可直觀展現(xiàn)支架受力分布及頂板來(lái)壓區(qū)域，進(jìn)而判定工作面初次來(lái)壓、周期來(lái)壓。

2.2 工作面初次來(lái)壓規(guī)律

工作面開(kāi)采初期的支架工作阻力分布如圖1。從圖1 可以看出，工作面部分支架阻力監(jiān)測(cè)出現(xiàn)異常情況，其中65#支架從工作面開(kāi)切眼至推進(jìn)52.1 m 范圍內(nèi)無(wú)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；工作面推進(jìn)6～12.8 m 期間，5#～70#支架基本無(wú)數(shù)據(jù)，70#～150#支架阻力異常（圖1 中白色區(qū)域）；工作面35#、40#支架長(zhǎng)時(shí)間呈現(xiàn)高阻力狀態(tài)，分析原因是由于支架參數(shù)設(shè)定不恰當(dāng)導(dǎo)致。工作面推進(jìn)至約44 m 處，35#～60#、125#～135#支架均表現(xiàn)為高工作阻力，阻值均大于支架額定工作阻力90%，因此判定工作面頂板初次來(lái)壓（圖1 中深色圈定區(qū)域），即工作面初次來(lái)壓步距為44 m。

2.3 工作面回采初期周期來(lái)壓規(guī)律

工作面初次來(lái)壓后，進(jìn)入周期來(lái)壓階段。選取工作面推進(jìn)237.2~311.8 m 時(shí)間段支架阻力為研究對(duì)象，分析工作面支架工作阻力變化，研究工作面周期來(lái)壓規(guī)律，確定周期來(lái)壓步距。

工作面推進(jìn)237.2~311.8 m 時(shí)間段的支架工作阻力分布如圖2。由圖2 可以看出，工作面支架工作阻力呈現(xiàn)周期來(lái)壓規(guī)律性，工作面推進(jìn)237.2～311.8 m 段共周期來(lái)壓6 次，來(lái)壓段分別為推進(jìn)242、252.7、266.5、278.2、291、300.7 m 處，周期來(lái)壓步距分別為10.7、13.8、11.7、12.8、9.7 m，工作面周期來(lái)壓平均步距為11.74 m。回采初期周期來(lái)壓步距統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

圖1 工作面初次來(lái)壓階段支架阻力分布圖

圖2 工作面推進(jìn)237.2～311.8 m 段支架阻力分布圖

表1 回采初期周期來(lái)壓步距統(tǒng)計(jì)表

工作面回采初期，不同位置支架工作面來(lái)壓顯現(xiàn)特征有所不同，呈現(xiàn)如下規(guī)律：

1）工作面周期來(lái)壓對(duì)支架作用強(qiáng)度整體顯示出一定交替性的規(guī)律。本次周期來(lái)壓顯現(xiàn)較為強(qiáng)烈區(qū)域下一次周期來(lái)壓顯現(xiàn)有所減弱，相反本次周期來(lái)壓顯現(xiàn)較為平緩區(qū)域在下一次周期來(lái)壓中將有較為強(qiáng)烈的來(lái)壓表現(xiàn)。

2）工作面兩側(cè)區(qū)域周期來(lái)壓表現(xiàn)不明顯。工作面推進(jìn)237.2~311.8 m 范圍支架阻力云圖可以看出，第1#～25#支架、135#～159#支架周期來(lái)壓變現(xiàn)不明顯，支架阻力較為平穩(wěn)。

3）工作面周期來(lái)壓時(shí)，部分支架的工作阻力超過(guò)了額定工作阻力，支架工作阻力最大達(dá)53.9 MPa。

2.4 工作面回采中期周期來(lái)壓規(guī)律

選取工作面推進(jìn)1 243.4～1 340.8 m 時(shí)間段支架阻力為研究對(duì)象，分析工作面支架工作阻力變化，研究工作面正?；夭呻A段周期來(lái)壓規(guī)律。

工作面推進(jìn)1 243.4～1 340.8 m 時(shí)間段的支架工作阻力分布如圖3。由圖3 可以看出，工作面支架工作阻力呈現(xiàn)周期來(lái)壓規(guī)律性，工作面推進(jìn)到1 243.4～1 340.8 m 段共周期來(lái)壓7 次，來(lái)壓段分別為推進(jìn)1 247.2、1 259.8、1 275.1、1 290.4、1 303、1 316.5、1 331.8 m 處，周期來(lái)壓步距分別為12.6、15.3、15.3、12.6、13.5、15.3 m，工作面正常回采期間周期來(lái)壓平均步距為14.1 m，回采中期周期來(lái)壓步距統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表2。

圖3 工作面推進(jìn)1 243.4～1 340.8 m 段支架阻力分布圖

表2 回采中期周期來(lái)壓步距統(tǒng)計(jì)表

工作面正?；夭善陂g周期來(lái)壓特征與回采初期階段有所不同，正?；夭善陂g工作面周期來(lái)壓步距比回采初期階段來(lái)壓步距大，回采初期階段工作面推進(jìn)速度慢，推推停停相當(dāng)于停采等壓效果，周期來(lái)壓步距小。工作面105#～135#支架周期來(lái)壓較35#～70#支架來(lái)壓稍微滯后，且周期來(lái)壓強(qiáng)度較強(qiáng)，來(lái)壓持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

2.5 來(lái)壓強(qiáng)度分析

根據(jù)12511 工作面壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，工作面推進(jìn)237.2～311.8 m 期間動(dòng)載系數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。由表中可以看出，非來(lái)壓期間支架工作阻力平均值為31.03 MPa，為支架額定工作阻力47.6 MPa 的65.2%；來(lái)壓期間支架工作阻力平均值為43.27 MPa，為支架額定工作阻力的90.9%。工作面周期來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為1.39，動(dòng)載系數(shù)偏大，主要原因在于非來(lái)壓期間工作面支架工作阻力較低，平均值低于支架初撐力35 MPa。

3 支架初撐力及工作阻力分析

3.1 支架初撐力分析

我國(guó)大采高綜采工作面生產(chǎn)實(shí)踐表明，液壓支架初撐力是支架與圍巖關(guān)系中重要影響因素。合理的初撐力可以確保支架按設(shè)計(jì)的增阻，使支架處于合理的工作狀態(tài)，發(fā)揮其最大的支護(hù)效能。同時(shí)，可以有效抑制頂板的早期下沉，最大限度的保持直接頂（頂煤）的完整，防止冒頂及頂板下位巖層與上位巖層離層，有效的避免動(dòng)壓沖擊。

根據(jù)生產(chǎn)期間，對(duì)12511 工作面支架初撐力實(shí)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，初撐力合格率僅為42.44%，大部分支架的初撐力都沒(méi)有達(dá)到預(yù)設(shè)初撐力的要求，降低支架的支護(hù)效果。通過(guò)提高泵站壓力至額定值及減少漏液與管路接頭局部壓力損失等手段，將工作面支架平均初撐力提高至額定初撐力的84.3%，滿(mǎn)足了工作面支護(hù)要求。

3.2 支架工作阻力分析

工作面支架工作阻力合理性評(píng)價(jià)采用工作阻力分布統(tǒng)計(jì)分析的方法[15]，按照額定工作阻力（47.6 MPa）的20%，劃分5 個(gè)區(qū)間，分別統(tǒng)計(jì)支架工作阻力在各區(qū)間所占的百分比。對(duì)于理想的支架工作阻力分布應(yīng)符合正態(tài)分布。處于低阻力和高阻力所占整個(gè)區(qū)間很少比例，中間部分所占比例較大。若低阻力所占比例較大，說(shuō)明支架并未充分發(fā)揮作用；若高阻力所占比例較大，說(shuō)明支架富余系數(shù)偏小。在12511 工作面上部、中部、下部各選定1 個(gè)支架作為支架工作阻力分布研究對(duì)象進(jìn)行分析，選定支架分別為28#、75#及123#，各個(gè)支架工作阻力的頻率分布見(jiàn)表3。

分析表3 中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，各支架工作阻力分布具有類(lèi)似特征，所有支架受力主要集中在正常阻力區(qū)，支架在正常阻力區(qū)間所占的比例達(dá)到了76.1%，低阻力區(qū)和高阻力區(qū)的比例分別為14.5%和9.4%，高于支架額定工作阻力的比例僅占0.5%，支架日常工作阻力分布屬于正態(tài)分布，工作面支架整體處于較好工作狀態(tài)。

表3 各支架工作阻力分布表

4 結(jié) 論

1）補(bǔ)連塔煤礦12511 特大采高工作面初次來(lái)壓步距44 m，回采初期周期來(lái)壓平均步距為11.74 m，正?；夭呻A段周期來(lái)壓步距為14.1 m。工作面周期來(lái)壓對(duì)支架作用強(qiáng)度整體顯示出強(qiáng)、弱交替變化規(guī)律，周期來(lái)壓強(qiáng)度呈現(xiàn)“兩端小，中間大”的特征。

2）近淺埋煤層特大采高工作面礦壓顯現(xiàn)較為劇烈，非來(lái)壓期間支架工作阻力平均值為31.03 MPa，為支架額定工作阻力的65.2%；來(lái)壓期間支架工作阻力平均值為43.27 MPa，為支架額定工作阻力的90.9%，工作面周期來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為1.39。

3）12511 綜采工作面支架平均初撐力達(dá)到額定初撐力的84.3%，工作阻力分布屬于正態(tài)分布，工作面支架整體工作狀態(tài)良好。