厚煤層綜放工作面不同來壓判據對比分析

梁向輝

（山西煤炭運銷集團金辛達煤業有限公司，山西 臨汾 041000）

綜采工作面支架工作阻力的變化正是由于頂板巖層變形移動引起的[1]，在工程實際應用中，一般通過現場實測支架工作阻力，研究支架平均工作阻力變化與工作面相應回采位置之間的相關性，分析總結工作面頂板礦壓顯現規律，用以推斷工作面上覆巖層活動規律。統計分析支架實測工作阻力值時，正確的選擇來壓判斷依據，是決定分析結果準確性的關鍵因素。尤其是在采用放頂煤開采工藝的工作面，由于支架上方頂煤的存在，支架與頂板相互作用機理與其他采煤工藝存在一定的差異，所以合理選擇來壓判斷依據顯得更為重要。

1 兩種來壓判據的適用性

1.1 時間加權平均工作阻力

通過支架工作阻力分析工作面礦壓顯現規律時，一般選用來壓判據是以支架時間加權平均工作阻力，加上其均方差σ，即以作為采面頂板來壓的臨界值[2]。加權平均值在實際統計分析中相對比較簡單，尤洛卡等礦壓監測分析軟件多采用此算法，但是對于不同條件、不同采煤工藝的工作面存在一定的局限性。礦壓監測系統監測到的支架實際最大工作阻力，與支架初撐力以及移架作業循環持續時間有關。支架初撐力越大，移架循環持續的時間越長，實測支架最大工作阻力就越大，反之，越小。支架初撐力的大小，除受作業人員移架質量影響外，很大程度上與支架上方直接接觸的頂板完整程度有關。綜采放頂煤工作面由于支架上方頂煤放出的影響，頂板往往不完整，支架初撐力普遍比較低，實測的支架工作阻力普遍存在差異較大的現象，對工作面來壓規律的統計分析也會有較大影響。

綜采放頂煤開采過程中，支架的支撐力不是直接作用于煤層直接頂，而是通過支架上方頂煤，間接地對頂板進行控制[3]。后溜放煤過程中，支架掩護梁上方頂煤放出的同時，在礦壓以及支架反復支撐頂煤的共同作用下，控頂區上方的部分頂煤也會提前冒落，造成支架后立柱處頂梁不能有效接觸頂板，從而造成支架整體初撐力低，實測支架工作阻力也會相應較低；再者，割煤、移架、放煤、檢修等不同作業時段，移架循環的持續時間有較大差別，所以不同時段支架阻力平均值也會受采煤工藝影響。所以，若僅僅以作為來壓判據，可能會對工作面是否來壓造成誤判。

1.2 初增阻速度

根據移架循環內支架工作阻力的變化特點，其增阻過程包括三個階段[4]（如圖1）：①t1階段：移架結束后，支架工作阻力最低，頂板下沉，支架支護阻力迅速升高，對頂板起到有效支撐，此階段支架增阻速率較大，稱為急增阻階段，一般持續時間在30 min左右；②t2階段：經過支架急增阻過程后，支架工作阻力已基本達到支撐頂板下沉的能力，頂板下沉緩慢，礦壓變化趨于平穩，支架增阻速率較小，稱為緩增阻階段。此階段一直持續至下一移架作業循環前，持續時間越長，支架最大工作阻力越大；③t3階段：在下一作業循環移架前，受相鄰1～2部支架降架的影響，頂板壓力會在一定程度上向其他支架轉移，導致支架工作阻力迅速升高，增阻速率較大，但變化幅度一般比較小，持續時間不長。

圖1 支架增阻過程實測曲線

支架工作阻力是工作面頂板下沉的反作用力，兩者存在正相關關系。所以，通過統計分析支架的增阻速度，同時，結合支架最大工作阻力，可以推斷工作面上覆巖層活動的劇烈程度，作為分析判斷工作面來壓情況依據。

通過支架工作阻力變化的三個時段機理分析可以看出，t1階段是工作面上覆巖層下沉或斷塊回轉活動表現最為明顯的階段，所以支架急增阻階段的支架增阻速度，即支架的初增阻速度，是衡量上覆巖層活動劇烈程度的較好參數。根據一般工作面作業循環時間，t1階段一般不超過一個小時，所以，可選擇移架結束后一個小時內支架的工作阻力變化量計算支架初增阻速度。即支架初增阻速度為：

式中：

Pv-支架的初增阻速度，kN/h；

P1-移架后1 h時支架工作阻力，kN；P0-支架的初撐力，kN。

2 兩種來壓判據的實測統計比較

2.1 實測統計結果對比

金辛達11101綜放工作面平均埋深200 m，工作面走向長度940 m，切眼長度150 m，賦存條件穩定，煤厚平均6 m。煤層頂板為K2灰巖，平均厚度10.24 m，致密，堅硬，局部有裂隙；底板為泥巖粉砂巖互層，平均厚度3.1 m。

工作面采用走向長壁布置，綜采放頂煤采煤工藝。回采期間，利用尤洛卡系列KJ653煤礦無線頂板動態監測系統，對工作面支架工作阻力進行連續在線監測。工作面共計101部支架，每8架安裝一臺無線礦壓監測壓力表，對13部支架進行監測。本文對工作面初采期間支架工作阻力監測結果進行了統計分析，統計內容包括支架的初撐力、時間加權平均工作阻力、循環末阻力、初增阻速度。

圖2 支架來壓統計曲線

圖2所示的統計曲線，是根據工作面中部支架工作阻力實測值，分別以傳統的時間加權平均工作阻力判斷依據和支架初增阻速度判斷依據，統計繪制的工作面礦壓顯現曲線。從曲線可以看出，工作面推進至26m左右時發生初次來壓，推進至45m左右時發生第一次周期來壓。前兩次來壓時，利用上述兩種來壓判據，分析判斷結果一致。在工作面回采至60～100m期間，根據時間加權平均工作阻力統計曲線分析判斷，工作面未發生周期來壓；推進至75m、88m位置時，有增大的趨勢，但最大阻力值沒有達到來壓的臨界值。根據支架初增阻速度統計曲線顯示，工作面推進至75 m、88 m位置時，支架升架后，工作阻力迅速升高，增阻速度明顯比其他時段大，超過增阻速度來壓臨界值，說明此時工作面上覆巖層下沉活動明顯，工作面發生周期來壓。

2.2 原因分析

時間加權平均工作阻力是工作面整個作業循環過程中，支架在特定時間段內工作阻力的真實反映。支架工作阻力往往會受到工作面頂底板條件、支架工移架操作不規范等因素的影響。尤其是在綜采放頂煤工作面中，頻繁移架過程中，支架上方頂煤遭到破壞，放煤時，支架主頂梁上方頂煤容易提前被放出，容易導致支架主頂梁后半部分不能有效支護頂板，支架初撐力普遍較低，所以在工作面來壓顯現程度不明顯的情況下，支架實際工作阻力會相應較低，在一定程度上會掩蓋了工作面支架來壓特征，造成對工作面周期來壓的誤判，但是從支架的最大工作阻力來看，工作面實際上也發生了來壓現象。

圖3 支架實測工作阻力曲線

圖3為11101綜放面在回采至65～100 m期間支架的初撐力及其最大工作阻力統計曲線。從統計結果可以看出，在此回采區間，現場支架實測的初撐力普遍偏低，監測值均在2000～3000 kN左右，均達不到支架額定工作阻力（7200 kN）的80%，從而導致了支架時間加權平均工作阻力統計結果值較低。從支架實測的循環末阻力統計曲線可以看出，采面回采至75m、88m前后時，支架實測循環末阻力分別為7235kN和6875kN，達到了支架的額定工作阻力，并且明顯大于時間加權平均阻力的來壓判據臨界值4553 kN，可以判斷，工作面回采至此位置時，發生了周期來壓現象。但是根據支架時間加權平均工作阻力統計結果，工作面回采至此位置時，其相應統計值分別為4300 kN和3438 kN，都低于工作面來壓判斷的臨界值，造成了工作面此時沒有發生周期來壓的錯誤判斷結果。然而，根據支架初增阻速度統計結果分析判斷，采面回采至75m、88m前后，移架完成后，支架實測工作阻力迅速升高，支架的初增阻速度跟其他時段對比，明顯較大，可推斷，工作面回采至此處時，上覆巖層運動較為劇烈，采面發生了周期性來壓。

3 結論

通過對金辛達煤業11101綜放面現場觀測統計，分別選擇支架時間加權平均工作阻力和支架初增阻速度作為周期來壓判據進行了對比分析，結果表明：

（1）綜放開采工作面，由于受頂煤冒落、放煤的影響，支架的初撐力普遍達不到規定要求，常用的平均工作阻力來壓判據存在一定的局限性，在工作面來壓影響范圍較小或礦壓顯現不明顯時，會掩蓋掉支架的來壓特征，造成采面周期來壓步距統計分析結果不準確。

（2）支架初增阻速度作為工作面來壓判據，可以在很大程度上降低支架初撐力較低的影響，能夠更真實地反映出工作面頂板活動的劇烈程度，從而對綜放工作面來壓與否能夠進行更準確的判斷。