汾源煤業(yè)5-101工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架適應性分析

李增祿

（霍州煤電集團汾源煤業(yè)公司，山西 靜樂 035100）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電集團汾源煤業(yè)公司5-101工作面位于5號煤層一采區(qū)，工作面開采5號煤層，煤層平均厚度10.5 m，傾角為37°～40°，屬大傾角特厚煤層，頂板巖層為石灰?guī)r、泥巖；底板巖層為砂質泥巖、泥巖。5-101工作面采用綜合機械化放頂煤開采方法，開采高度2.8 m，放煤高度7.7 m，采放比為1∶2.75，由于工作面為5號煤層一采區(qū)的首采工作面，且工作面煤層軟、頂板軟、底板軟，屬于三軟地質條件，故在工作面回采期間需掌握礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，以為后續(xù)工作面回采作業(yè)提供指導與參考。

2 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

2.1 監(jiān)測方案

5-101工作面采用Z F8000/17/30D型放頂煤液壓支架，共計布置68臺液壓支架，現(xiàn)為有效監(jiān)測分析工作面回采期間礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，在液壓支架上布置11個測點；工作面液壓支架工作阻力監(jiān)測劃分為3個區(qū)域，工作面下部監(jiān)測6、12、18、24號液壓支架，工作面中部監(jiān)測30、36號、42、48號液壓支架，工作面上部監(jiān)測54、60、66號液壓支架，每個測點安裝1臺支架壓力記錄儀，記錄工作面推進過程中支架左右柱的壓力變化情況。

為監(jiān)測工作面回采期間超前支承壓力的分布情況，巷道礦壓監(jiān)測工作在兩回采順槽內(nèi)安裝鉆孔煤體應力計，煤體應力計每組6臺，共2組，安裝在切眼前方50 m的工作面煤幫側[1-2]，安裝間距為5 m，安裝水平深度依次為3、5、7、9、11、13 m。煤體應力監(jiān)測布置方式如圖1所示。

圖1 工作面煤體應力監(jiān)測布置方式示意圖

2.2 監(jiān)測結果分析

2.2.1 液壓支架監(jiān)測結果分析

5-101綜放工作面于2019年4月開始試采，截止到2020年6月17日末采結束，工作面共推進464 m。本次分析自2020年1月1日至工作面5月26日支架壓力數(shù)據(jù)，由此得出5-101工作面正?；夭傻V壓顯現(xiàn)規(guī)律。

周期來壓分析以支架的平均循環(huán)末阻力與其均方差之和作為判斷頂板周期來壓的主要指標。數(shù)據(jù)計算的公式為[3-4]：

式中：σP為循環(huán)末阻力平均值的均方差；n為實測循環(huán)數(shù)；Pti為各循環(huán)的實測循環(huán)末阻力；Pt2循環(huán)末阻力的平均值。

頂板來壓的判據(jù)公式如下：

根據(jù)監(jiān)測結果及上述頂板來壓判據(jù)公式，得出各支架周期來壓判據(jù)見表1。

表1 各支架周期來壓判據(jù)表

根據(jù)液壓支架工作阻力的監(jiān)測結果可知，5-101工作面回采期間工作面上部、中部、下部的液壓支架工作阻力曲線基本呈現(xiàn)為相同的變化趨勢，現(xiàn)選取12、42、60號支架工作阻力曲線進行分析，支架工作阻力曲線如圖2所示。

圖2 支架工作阻力曲線圖

根據(jù)液壓支架工作距阻力的監(jiān)測結果可知，2020年1月-5月26日，工作面頂板共計有17次周期來壓，工作面兩端來壓次數(shù)較中部少，來壓次數(shù)最多的部位為12、18號附近，即工作面變坡點附近，此2處來壓強度最大，60、66號架附近來壓強度最??；來壓步距平均為12.4 m，由于6、60、66號架周期來壓規(guī)律性不強，剔除后平均周期來壓步距為12 m。

由以上分析可看出，工作面周期來壓有四點規(guī)律：①工作面不同區(qū)段來壓頻次、強度不均衡，中部來壓強度、頻次大于工作面兩端；②從時間上看12、18號來壓發(fā)生較其他支架早，可作為工作面來壓判斷的基準；③目前數(shù)據(jù)分析整個工作面來壓步距為12.4 m，以目前的推進速度1.8 m/d，平均7 d發(fā)生1次周期來壓，來壓在整個工作面持續(xù)時間約2 d。

2.2.2 煤體應力監(jiān)測結果分析

根據(jù)煤體應力監(jiān)測結果能夠得出回風巷3、5、7、9 m深度煤體應力曲線如圖3所示。

圖3 工作面超前區(qū)域煤體應力曲線圖

根據(jù)各測站煤體應力曲線，5-101回風巷3 m深煤體應力在超前工作面30 m處開始增大，直至工作面通過測點，應力計初始值5.5 MPa，隨工作面的推進增加至8.3 MPa；5 m深煤體應力在超前工作面32 m處開始增大，直至工作面通過測點，應力計初始值4.6 MPa，隨著工作面的推進增加至9.2 MPa；7 m深煤體應力在超前工作面29 m處開始增大，直至工作面通過測點，應力計初始值4.9 MPa，隨著工作面的推進增加至9.5 MPa；9 m深煤體應力在超前工作面28 m處開始增大，直至工作面通過測點，應力計初始值5 MPa，隨工作面的推進增加至9.8 MPa。

綜合上述煤體不同深度應力曲線分析結果，確定工作面超期應力顯著影響區(qū)為工作面前0～30 m左右，但由于5號煤層較為松軟，工作面應力超前影響區(qū)范圍不大，應力提升速率較低且應力升高不多。

3 支架適應性分析

分析液壓支架的適應性主要通過支架工作阻力、初撐力及末阻力等反應，現(xiàn)分別分析支架工作阻力、初撐力及末阻力的運行情況。

3.1 支架工作阻力分析

支架合理的頻率分布峰值位于50%～80%額定工作阻力的區(qū)間內(nèi)[5-6]。監(jiān)測液壓架之間工作阻力頻率分布結果見表2，工作阻力分布直方圖見圖4。

分析表2和圖4可知，支架整體壓力偏低，正常推采期間整架壓力基本不超過3 000k N，僅在工作面來壓期間整架壓力能夠超4 000 k N；支架長期處于低阻力運行狀態(tài)，總體處于0～500 k N的時段占比高達20%，即每臺支架近20%的時間基本處于不受壓狀態(tài)；支架處于低阻力運行狀態(tài)的原因在于工作面頂煤松軟，放煤期間易出現(xiàn)頂煤在支架后柱垮落，導致支架后柱空頂，使整個支架受壓狀態(tài)較差。

表2 支架工作阻力頻率統(tǒng)計表（單位：%）

圖4 支架工作阻力分布直方圖

3.2 支架初撐力及循環(huán)末阻力

通過對支架工作阻力曲線分析，得出各支架初撐力及循環(huán)末阻力，各支架工作阻力特征見表3。

表3 各支架工作阻力特征表

Z F8000/17/30D支架額定初撐力為6 400 k N，額定工作阻力為8 000 k N，分析表3可知，5-101工作面各支架初撐力普遍不足，主要原因有2個方面：①頂煤松軟，升架時初撐力升高時，頂煤就會發(fā)生破碎，使初撐力提升困難；②工作面普遍存在支架后立柱空頂?shù)默F(xiàn)象，整架初撐力提升困難。

3.3 液壓支架管理建議

基于上述分析得出的支架工作阻力偏低、初撐力不足的問題，需加強液壓支架的管理作業(yè)。針對支架工作阻力偏低的問題，由于5-101工作面傾角大，放煤順序采用下行放煤作業(yè)，可確保工作面下段支架處于受力狀態(tài)抵抗上段支架的下滑和傾斜；同時放煤量不能過大，放煤時可根據(jù)支架前柱壓力表數(shù)據(jù)進行控制，壓力數(shù)據(jù)下降加速時即可停止放煤，防止支架前柱空頂；放煤后上段支架可先進行推進，使支架處于低阻力運行的時間盡量減少。

針對液壓支架初撐力低的問題，解決途徑為控制頂煤垮落的程度和范圍，確保支架前柱上方頂煤不隨放煤作業(yè)而垮落，保證支架前柱受力。

4 結論

根據(jù)5-101工作面三軟、大傾角的地質條件，通過對工作面回采期間液壓支架和煤體應力的監(jiān)測，分析監(jiān)測結果得出基本頂周期來壓步距為12.4 m，超期應力顯著影響區(qū)為工作面前0～30 m左右；根據(jù)支架適應性分析結果可知，支架工作時存在初撐力不足和工作阻力偏低的問題，提出了支架管理時的建議，為后續(xù)工作面回采提供基礎支撐。