寺家莊煤礦15301 大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架適應(yīng)性分析

鄭玉春

（潞安化工集團(tuán)寺家莊公司，山西晉中045300）

1 工程概況

陽(yáng)煤寺家莊公司15301 工作面位于北一盤區(qū)，工作面傾斜長(zhǎng)度220 m，可采走向長(zhǎng)度為2 288 m，開采15 號(hào)煤層，煤層厚度為3.75～7.2 m，平均厚度為5.24 m，平均傾角為4°，煤層賦存穩(wěn)定，一般含有2～3 層夾矸，煤層頂?shù)装鍘r層特征見表1。15301工作面采用大采高一次采全高采煤工藝進(jìn)行回采作業(yè)，工作面采高為5.0 m，循環(huán)進(jìn)度0.8 m，工作面采用ZY12000-30/68D 液壓支架，機(jī)頭和機(jī)尾分別布置3 臺(tái)ZYD12000-30/68D 性過渡支架，現(xiàn)為有效分析大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架的適應(yīng)性，特進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析研究。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征表

2 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

2.1 礦壓觀測(cè)方案

15301 工作面采用KJ513 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液壓支架工作阻力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，工作面由回風(fēng)巷向運(yùn)輸巷方向劃分為3 個(gè)測(cè)站，分別為工作面上部、中部和下部，工作面不同區(qū)域上選擇3 個(gè)液壓支架安裝測(cè)力儀，其中工作面上部測(cè)力儀安裝支架編號(hào)為3、13 和24 號(hào)，工作面中部測(cè)力儀安裝支架編號(hào)為46、68 和90 號(hào)，工作面下部測(cè)站測(cè)力儀安裝支架編號(hào)為100、112 和138 號(hào)，具體工作面礦壓測(cè)區(qū)分布如圖1 所示。

圖1 15301 工作面礦壓測(cè)區(qū)分布圖

根據(jù)眾多理論研究和工程實(shí)踐結(jié)果表明[1-3]，工作面頂板來壓判據(jù)基準(zhǔn)值為支架平均循環(huán)工作阻力與其標(biāo)準(zhǔn)差之和，具體工作面周期來壓的判據(jù)表達(dá)式為[1-2]：

式中：P為液壓支架的工作阻力；σ為循環(huán)工作阻力平均值的標(biāo)準(zhǔn)差；n為實(shí)測(cè)循環(huán)數(shù)；P為循環(huán)工作阻力的平均值；Pi為各循環(huán)實(shí)測(cè)工作阻力；

根據(jù)15301 工作面各測(cè)站的礦壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，代入公式（1）中能夠計(jì)算得出工作面不同測(cè)站間液壓支架來壓判據(jù)值，見表2。

表2 工作面各測(cè)站支架來壓判據(jù)表

工作面回采期間的來壓強(qiáng)度采用動(dòng)載系數(shù)K表示，動(dòng)載系數(shù)K等于工作面周期來壓和非周期來壓期間支架平均工作阻力的比值[3-4]，具體表達(dá)式為：

式中：K為動(dòng)載系數(shù)；Pf為非周期來壓期間支架平均工作阻力；Pz為周期來壓期間支架平均工作阻力。

2.2 頂板來壓特征分析

根據(jù)15301 工作面回采期間的礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，在工作面各個(gè)分區(qū)內(nèi)的液壓支架的工作阻力曲線基本呈現(xiàn)為相同的變化趨勢(shì)，而工作面不同分區(qū)間支架的工作阻力呈現(xiàn)出一定的差異，現(xiàn)選取13、68 號(hào)和112 號(hào)液壓支架分別代表工作面上部、中部和下部進(jìn)行頂板來壓特征的分析，具體曲線如圖2 所示。

分析圖2（a）可知，工作面上部在回采推進(jìn)約37 m 時(shí)頂板出現(xiàn)初次來壓現(xiàn)象，來壓期間液壓支架的工作阻力約為32 MPa，頂板初次來壓后工作面每間隔17 m 出現(xiàn)一次周期來壓現(xiàn)象，周期來壓期間支架的平均工作阻力約為31 MPa，頂板初次來壓和周期來壓期間的動(dòng)載系數(shù)分別為1.4 和1.35。

分析圖2（b）可知，工作面中部在回采推進(jìn)約36 m 時(shí)頂板出現(xiàn)初次來壓現(xiàn)象，來壓期間液壓支架的工作阻力約為38 MPa，頂板初次來壓后工作面每間隔17 m 出現(xiàn)一次周期來壓現(xiàn)象，周期來壓期間支架的平均工作阻力約為37 MPa，頂板初次來壓和周期來壓期間的動(dòng)載系數(shù)分別為1.6 和1.5。工作面中部的初次來壓步距和周期來壓步距與工作面上下兩端相比，均出現(xiàn)一定程度的降低，這是由于工作面中部處于兩側(cè)懸空的狀態(tài)，工作面上部和下部均有實(shí)體煤柱起到一定的支撐作用。

分析圖2（c）可知，工作面中部在回采推進(jìn)約37 m 時(shí)頂板出現(xiàn)初次來壓現(xiàn)象，來壓期間液壓支架的工作阻力約為32 MPa，頂板初次來壓后工作面每間隔17 m 出現(xiàn)一次周期來壓現(xiàn)象，周期來壓期間支架的平均工作阻力約為31 MPa，頂板初次來壓和周期來壓期間的動(dòng)載系數(shù)分別為1.4 和1.38，回采期間支架同樣未出現(xiàn)小的周期來壓現(xiàn)象。

圖2 工作面不同分區(qū)液壓支架工作阻力曲線圖

綜合上述分析，結(jié)合礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠得出，工作面上部、中部和下部基本頂初次來壓步距的平均值分別為37.2、35.9 和37.2 m，周期來壓步距的平均值分別為16.83、16.0 和16.9 m，工作面上部、中部和下部來壓期間動(dòng)載系數(shù)的平均值分別為1.39、1.5 和1.4。工作面周期來壓步距呈現(xiàn)出上下端頭大、中部小的特征，來壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出中部大、兩端小的特征，且工作面回采期間不存在大小周期來壓現(xiàn)象。

3 支架適應(yīng)性分析

15301 工作面回采期間，根據(jù)礦壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠得出工作面不同分區(qū)液壓支架的承載特性，分析液壓支架的承載特性及適應(yīng)性，主要通過工作面回采期間支架的初撐力、工作阻力進(jìn)行綜合分析，具體分析如下：

1）工作面上部：現(xiàn)以工作面上部13 號(hào)液壓支架的工作阻力運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，具體支架初撐力和工作阻力分布頻率直方圖如圖3 所示。

圖3 工作面上部13 號(hào)液壓支架工作阻力分布頻率直方圖

分析圖3 可知，工作面上部13 號(hào)支架初撐力在10～25 MPa 范圍內(nèi)的占比較大，達(dá)到45.71 %，其次為初撐力小于10 MPa 的達(dá)到30.2%，支架初撐力達(dá)到設(shè)定初撐力25 MPa 的比例僅占到25.19%，即表明工作面上部支架初撐力的使用效率較低。13 號(hào)支架工作阻力總體呈現(xiàn)為正態(tài)分布，直方圖中超出支架工作阻力的比例占到20%。

2）工作面中部：選取68 號(hào)液壓支架的工作阻力的承載特性進(jìn)行分析，具體支架初撐力、工作阻力和末阻力的分布特征如圖4 所示。

圖4 工作面中部68 號(hào)液壓支架工作阻力分布頻率直方圖

分析圖4 可知，工作面中部68 號(hào)支架初撐力分布整體呈現(xiàn)為駝峰分布，初撐力在10～25 MPa 范圍的占比達(dá)到52.78 %，支架初撐力達(dá)到設(shè)定初撐力25 MPa 的比例僅占到26.57 %，工作面中部同樣存在初撐力偏低的問題，68 號(hào)支架工作阻力總體呈現(xiàn)為正態(tài)分布，回采期間支架超出工作阻力（35 MPa）的比例達(dá)到38.8%，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)楣ぷ髅嬷胁縼韷簭?qiáng)度較大。

3）工作面下部：選取100 號(hào)液壓支架的工作阻力的承載特性進(jìn)行分析，具體支架初撐力、工作阻力和末阻力的分布特征如圖5 所示。

分析圖5 可知，工作面下部100 號(hào)支架初撐力在10～25 MPa 范圍的占比達(dá)到62.41%，支架初撐力達(dá)到設(shè)定初撐力25 MPa 的比例僅占到9.28%，這即表明工作面下部支架初撐力的使用效率極低，支架結(jié)頂效果較差；100 號(hào)支架工作阻力絕大部分均處于正常運(yùn)行狀態(tài)，僅存在少數(shù)支架在操作和斷層影響下出現(xiàn)工作阻力偏高和偏低的現(xiàn)象。

圖5 工作面下部100 號(hào)液壓支架工作阻力分布頻率直方圖

綜合上述分析可知，工作面支架初撐力呈現(xiàn)為駝峰分布，支架初撐力達(dá)到25 MPa 以上的僅占到總體支架的30%左右，工作面液壓支架工作阻力呈現(xiàn)為正態(tài)分布，工作面中上部支架工作阻力大于額定工作阻力的比例達(dá)到20%以上，即表明工作面中上部頂板壓力相對(duì)較大，支架處于極限受力狀態(tài)。據(jù)此可知，ZY12000-30/68D 型液壓支架總體適應(yīng)性較好，后續(xù)需加強(qiáng)支架操作和泵站管理，提升支架初撐力的合格率，確保初撐效果，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)工作面中上部液壓支架的管理，防止支架出現(xiàn)壓死現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

根據(jù)15301 大采高工作面的開采條件，通過回采期間現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方式，分析液壓支架工作阻力曲線得出工作面初次來壓和周期來壓步距平均值分別在35.9～37.2 m 和16.0～16.9 m，頂板來壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出中部大、兩端小的特征；通過支架承載特性分析得出ZY12000-30/68D 型液壓支架總體適應(yīng)性較好，需進(jìn)一步提升支架初撐力的合格率，加強(qiáng)對(duì)工作面中上部液壓支架的管理。