同忻煤礦大采高綜放開采工作面礦壓研究

趙 杰，杜學領

（1.山西保利平山煤業股份有限公司，山西 沁水 048205；2.中國礦業大學（北京） 資源與安全工程學院，北京 100083）

1 工作面概況

同忻煤礦8101工作面位于井下3-5號煤層北一盤區2101巷與5101巷之間，為該盤區首采工作面，地面標高1 192.3～1 282.5 m，井下標高781.1～796.3 m，平均可采走向長度1 678.05 m，工作面傾斜長度199.5 m。所采煤層結構復雜，煤層厚度11～23.64 m，平均厚度14.13 m，煤層傾角0°～4°，平均1°。8101工作面采用單一走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤開采，采高3.9 m，放煤厚度10.23 m，采放比約為1∶2.6。使用Eickhoff SL-500AC型采煤機落煤裝煤，42×1000×268AFC 2×1050 kW TTT 型前部刮板運輸機和 42×1250×268AFC 2×1050 kW TTT 型后部刮板運輸機運煤，ZF15000/27.5/42型低位放頂煤支架支護頂煤、頂板。按一刀一放多輪間隔順序放煤的正規循環作業，循環進度、放煤步距都為0.8 m，直到工作面停采線前40 m。停采線前40 m到停采線，只割煤不放煤。頂板管理采用自然垮落法。

2 礦壓觀測方案

在8101工作面布置11個測站，測站沿工作面均勻布置，見圖1。測站位置分別為工作面9號、19號、29號、39號、49號、59號、69號、79號、89號、99號和109號液壓支架處。

圖1 8101工作面礦壓觀測測站布置圖

8101工作面礦壓觀測主要包括：在線監測、日常監測記錄和落實整改三個方面，8101工作面長199.5 m，支架數量118架，在工作面設10個壓力分機，壓力分機的3個接口分別接支架的前柱、后柱的下腔，從9號支架開始每間隔9個支架安設一組。采用山東尤洛卡公司的KJ216型綜采支架壓力在線監測系統對工作面支架的載荷及其工況連續監測，在未安裝自動監測系統的支架上安裝一組數顯壓力表，對前柱、后柱的下腔壓力監控，用于檢測支架的初撐力和工作阻力。

3 觀測結果分析

3.1 工作面支架的承載特性和適應性分析

8101面支架阻力監測持續9個月,支架載荷數據包括：在線連續監測壓力變化曲線及日常綜采面支架壓力采集表。

1）支架支護阻力的頻率分布。通過對工作面采集的支架立柱的所有液壓信息進行分析后，得出液壓支架支護阻力分布情況。①實測結果表明，8101面支架支護阻力分布頻率以區間24～30 MPa所占比率最大。②8101面支架支護阻力>36 MPa占總體支架支護阻力比例不大。其中，在工作面中部工作阻力>36 MPa所占比率要大于兩端，說明中部支架所承受的最大來壓強度要大于兩端。來壓期間，個別支架工作阻力超過額定阻力，安全閥開啟，給安全帶來隱患，來壓期間必須加強工作面支護管理工作。③支架阻力分布頻率中，區間0～6 MPa的分布頻率占總體分布比率較大，其中，后柱支護阻力分布于區間0～6 MPa比率明顯大于前柱。前柱>36 MPa明顯多于后柱，說明前柱工作阻力大于后柱。④除部分支架阻力開啟安全閥、支架發生壓裂情況，總體上支架運行狀態基本能滿足工作面的支護需求，支架性能可以得到充分發揮。

2）支架工作阻力工作特性與適應性分析。圖2為支架支護阻力統計圖，由圖可知，工作面全體支架平均支護阻力31 MPa，占額定工作阻力的51.60%，工作阻力可以滿足工作面實際開采的要求。工作面支架前后柱載荷比最小1.07，最大1.69，平均1.35。

圖2 支架支護阻力統計分析

3.2 工作面礦壓顯現規律分析

1）工作面周期來壓分析。依據工作面液壓支架的運行狀態監測結果、各測線液壓信息均值進行分析、統計，繪制全過程支架工作阻力趨勢曲線圖，取工作面的推進度為橫坐標（以開始觀測時為0計起，至工作面推進200 m為止），取工作面支架工作阻力值為縱坐標，分析工作面沿走向方向的礦壓分布規律。分別對39號、49號、59號、69號、79號和89號支架工作阻力均值在一個月內變化進行了曲線繪制。圖3為整個工作面支架阻力曲線圖。

圖3 整個工作面支架支護阻力變化曲線

由此可見，該工作面頂板來壓周期平均3～5 d，來壓步距多為19.1～26.6 m，平均22.22 m，來壓步距相差較大，來壓持續時間較短，在來壓期間個別支架工作阻力超過額定阻力。單個支架的變化曲線可以看出，來壓期間很多支架的液柱值都達到38 MPa，因此合理的支護阻力底限值應大于38 MPa。

2）來壓時與未來壓時整個工作面支架支護阻力對比分析。通過采集到數據，觀測到10次來壓，整理典型來壓時間段整個工作面立柱液壓數據，繪制對比曲線圖總結8101綜放工作面來壓規律，為評價支架—圍巖的適應性提供基礎性數據。見圖4、圖5，黑色曲線代表來壓時阻力變化，立柱液壓在工作面中部達到最大，且在中部極值點相對比較集中，分布面也較廣，在工作面上部和下部也出現了極大值點，分布面不如中部廣，整個工作面立柱液壓值普遍較大，前柱液壓普遍大于后柱。淺色曲線代表未來壓期間阻力變化。由圖得出：立柱液壓集中分區比較明顯，液壓峰值出現在工作面中部，但極值點分布很離散，而工作面上部和下部也出現離散的極大值點，整個工作面立柱液壓分布較來壓時普遍偏低，前柱液壓值普遍大于后柱。

綜上所述，工作面來壓期間整個工作面立柱液壓出現持續偏高，未來壓時整個工作面立柱液壓分布普遍較低，液壓峰值均出現在工作面中部，且中部液壓分布較上部和下部面廣，來壓時出現較高液壓值的分布范圍較大，而未來壓時只出現了相對較為離散的高液壓值，前柱壓力普遍大于后柱。由圖4、圖5可知，來壓期間，前柱增載系數1.14，后柱增載系數1.22。

圖4 工作面來壓時與未來壓時支架前柱工作阻力對比圖

圖5 工作面來壓時與未來壓時支架后柱工作阻力對比圖

4 結論

1）工作面全體支架平均支護阻力18.31 MPa，占額定工作阻力的51.60%，支架是較富裕的，工作阻力滿足工作面實際開采要求。

2）工作面存在周期來壓現象，但是周期來壓不明顯。從單個支架的變化曲線看出，來壓期間很多支架的液柱值都達到38 MPa，8101工作面頂板來壓周期平均 3～5 d，來壓步距 19.1～26.6 m，平均 22.22 m，來壓持續時間較短，來壓期間，增載系數1.18，一些支架工作阻力超過額定阻力，部分支架工作阻力達到安全閥開啟值；安全閥開啟后的來壓期間必須加強工作面支護管理，因此合理的支護阻力底限值應大于38 MPa。

3）8101綜放面綜采支架前柱的工作阻力普遍大于后柱；8101工作面支架前后柱載荷比最小1.07，最大1.69，平均載荷比1.35。

4）工作面中部支架的工作阻力普遍大于兩端，來壓期間，前柱增載系數1.14，后柱增載系數1.22。

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