寶欣煤礦近距離煤層下層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架適應(yīng)性研究

卞學(xué)鵬

(山西古縣蘭花寶欣煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042405)

1 工程概況

蘭花寶欣煤礦井田內(nèi)開采煤層為2號、3號、9+10號和11號煤層。2號煤層厚度為0.73～1.24 m，平均厚度0.86 m，3號煤層厚度為1.5～1.9 m，平均厚度為1.77 m，2號煤層與3號煤層平均間距為13.4 m，屬于近距離煤層，層間的巖性主要為砂巖和砂質(zhì)泥巖。3101工作面開采3號煤層，煤層直接頂為中細(xì)砂巖，平均厚度為3.2 m，基本頂為中細(xì)砂巖，平均厚度為1.5 m，底板巖層為泥巖和砂巖泥巖，3103工作面布置在上部2101工作面外側(cè)，具體兩工作面的布置形式見圖1。根據(jù)礦井設(shè)計(jì)報(bào)告可知，2101工作面與3103工作面采用聯(lián)合開采，3103工作面滯后2101工作面40 m進(jìn)行回采作業(yè)，為掌握3103工作面回采期間的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，特在工作面回采期間進(jìn)行礦壓監(jiān)測與分析。

2 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

3103工作面采用ZZ3400/15/24型液壓支撐掩護(hù)式液壓支架，該液壓支架的初撐力為2 524 kN，支架的工作阻力為3 400 kN。該液壓支架的最大和最小控頂距分別為4.625 m和4.025 m。3103工作面傾斜長度為135 m，工作面內(nèi)共布置86架液壓支架，工作面回采期間進(jìn)行液壓支架工作阻力的監(jiān)測分析，在工作面內(nèi)布置12組測站，如圖2所示。工作面回采期間每10 min進(jìn)行液壓支架工作阻力的監(jiān)測分析，觀測值為液壓支架的液壓支架左立柱和右立柱兩個(gè)數(shù)值。

圖1 2101與3103工作面回采巷道布置形式示意

圖2 3103工作面液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)布置方式示意

工作面液壓支架的監(jiān)測分析劃分為3組，分別為工作面上部、中部和下部。為分析工作面不同區(qū)域的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，每組分別選取兩個(gè)液壓支架進(jìn)行工作阻力曲線分析。工作面上部選取70號和85號，工作面中部選取30號和45號，工作面下部選取1號和10號。具體工作面不同區(qū)域液壓支架的工作阻力曲線如圖3所示。由圖3可知，各組液壓支架的工作阻力曲線基本呈相同的變化趨勢。

根據(jù)表1結(jié)合液壓支架的工作阻力曲線可知，3101工作面直接頂?shù)某醮慰迓洳骄酁?6.1 m，基本頂平均初次來壓步距為21.4 m，工作面上部、中部和下部的來壓步距分別為21.4 m、20.1 m和22.6 m；另外從表中能夠看出，觀測期間內(nèi)基本頂出現(xiàn)5次周期來壓現(xiàn)象，工作面整體平均周期來壓步距為10.4 m，工作面上部、中部和下部區(qū)域的基本頂周期來壓步距分別為10.5 m、10.8 m和10.0 m；綜合上述分析可知，3103工作面回采期間基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄嗪椭芷趤韷翰骄喾謩e為20.4 m和10.4 m。

另外根據(jù)液壓支架工作阻力的監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠得出工作面不同區(qū)域支架左右柱壓力數(shù)值，現(xiàn)從工作面上部、中部和下部區(qū)域分別選取3號、7號和11號測站的工作阻力柱狀圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出工作面不同位置處支架左右柱壓力數(shù)值柱狀圖如圖4所示。

圖3 工作面回采期間液壓支架工作阻力曲線

分析圖3可知，3103工作面回采期間，液壓支架的工作阻力基本在200～400 bar之間，即液壓支架的工作阻力值在1 600～3 200 kN的范圍內(nèi)，無液壓支架工作阻力超限現(xiàn)象出現(xiàn)，支架的阻力均在合理范圍內(nèi)；工作面上部區(qū)域和下部區(qū)域液壓支架的工作阻力增長速度明顯快于中部區(qū)域，上部區(qū)域和下部區(qū)域液壓支架的工作阻力很快能夠達(dá)到支架正常工作的要求，而中部區(qū)域液壓支架工作阻力增阻速度較慢，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)楣ぷ髅嬷胁繀^(qū)域?yàn)?101工作面的采空區(qū)，由于頂板巖層在上煤層回采后已經(jīng)破壞，覆巖壓力較小[1-3]，而工作面兩端頭區(qū)域受到上部和下部煤層未開采區(qū)域應(yīng)力集中的影響，液壓支架工作阻力較大。

根據(jù)液壓支架工作阻力的監(jiān)測分析，得出3101工作面回采期間的礦壓規(guī)律如表1所示。

表1 工作面頂板來壓特征統(tǒng)計(jì)

圖4 工作面液壓支架工作阻力柱狀圖

由圖4可知，工作面上部液壓支架左柱和右柱的平均值分別為2 298 kN和1 801 kN，工作面中部區(qū)域液壓支架左柱和右柱工作阻力的平均值分別為2 442 kN和1 746 kN，工作面下部區(qū)域支架左柱和右柱工作阻力的平均值分別為2 288 kN和1 823 kN。據(jù)此可知，工作面不同區(qū)域處，液壓支架左柱壓力的平均值均大于右柱壓力。進(jìn)一步分析液壓支架的工作阻力數(shù)據(jù)可知，工作面上部、中部和下部支架工作阻力的平均值分別為1 957 kN、2 000 kN、4 210 kN,最大值分別為3 157 kN、4 210 kN、3 260 kN。據(jù)此可知，工作面上部和下部的支架工作阻力略小于工作面中部區(qū)域，且工作面中部區(qū)域的來壓強(qiáng)度最大值也較大。

3 支架適應(yīng)性分析

為有效分析3101工作面回采期間液壓支架的適應(yīng)性，從工作面初采期間便進(jìn)行支架左右兩柱工作阻力的分析，現(xiàn)選取2014年5月21日～8月31日時(shí)間段內(nèi)支架壓力值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將數(shù)據(jù)以1 000 kN、2 000 kN、3 000 kN和4 000 kN為劃分界限，根據(jù)液壓支架位置的不同，將支架劃分為上部、中上部、中下部和下部四類[4-8]，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出工作面不同區(qū)域支架工作阻力柱狀圖，見圖5。

由圖5可知，工作面上部區(qū)域液壓支架工作阻力在0～1 000 kN，1 000～2 000 kN，2 000～3 000 kN，3 000～4 000 kN圍內(nèi)數(shù)值占比分別為4.07%、36.84%、58.21%和0.88%，支架工作阻力在2 000～3 000 kN區(qū)域內(nèi)的最多，且上部區(qū)域液壓支架無工作阻力超過4 000 kN的現(xiàn)象出現(xiàn)；另外從圖中能夠看出工作面中上部、中下部和下部區(qū)域液壓支架的工作阻力呈現(xiàn)為相同的規(guī)律，液壓支架工作阻力落在2 000～3 000 kN區(qū)域內(nèi)數(shù)值占到總體支架的50%以上，其次為1 000～2 000 kN區(qū)域內(nèi)數(shù)值占到總體支架約30%，液壓支架無超過4 000 kN現(xiàn)象的出現(xiàn)。綜合上述分析可知，工作面液壓支架的工作阻力基本均分布在3 000 kN附近的區(qū)域，支架無超出工作阻力的情況，回采期間無壓架現(xiàn)象出現(xiàn)，這即表明3103工作面采用的ZZ3400/15/24型液壓支架的適應(yīng)性較好，支架處于良好的工作狀態(tài)。

圖5 工作面不同區(qū)域液壓支架工作阻力柱狀圖

4 結(jié) 語

根據(jù)3103工作面的賦存特征，基于3103工作面與上覆2101工作面的位置關(guān)系，通過現(xiàn)場監(jiān)測的方式可知：工作面上部和下部區(qū)域支架的增阻速度快于中部，工作面基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄嗪椭芷趤韷翰骄喾謩e為20.4 m和10.4 m，根據(jù)液壓支架適應(yīng)性分析可知，ZZ3400/15/24型液壓支架適應(yīng)性較好。