綜放工作面頂板來壓規律及其控制技術研究

周 宇 秦 浩 韓慧棟

（山西蘭花科技創業股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

頂板巖層移動是導致綜放工作面的支架工作阻力發生變化的直接原因，需要現場對支架工作阻力進行實時測量，明確采面推進度與支架工作阻力的關系，并得出綜放面頂板的活動規律[1-3]。為了探明工作面礦壓顯現規律，本研究以伯方煤礦綜放工作面為例，對其礦壓情況進行了測量，獲取了周期來壓和支架工作阻力等指標，探明了支架與圍巖之間的相互作用，實現了對綜放面頂板壓力分布規律的了解，為回采工作的安全性奠定了良好的前提條件。

1 概況

3205綜放工作面位于二盤區運輸巷左翼，北部與3207工作面相鄰，南與3203工作面相鄰，東側與二盤區運輸、軌道和回風巷相接。工作面走向長度為1384m，傾斜長度為157m，開采3#煤層，區域內煤層厚度穩定，平均厚度為5.31m，煤層傾角2～10°，平均為4°。煤層直接頂為5.51m厚灰黑色粉砂巖，薄層狀，含砂質不多且均為中部稍粗含星散狀黃鐵礦及結核；基本頂為4.5m厚中粒砂巖，上部含云母較多粘土膠結，含泥質包裸體；直接底為1.6m厚黑灰色細砂巖，薄層層理發育，層面平整；基本底為4.32m厚灰黑色薄層砂質泥巖，以粘土為主含多量云母。針對工作面頂板的管理，實施全部垮落法和傾斜長壁綜采放頂煤法，同時采用ZFG4800/18/30型過渡架（6架）以及ZF4400/17/28型中間架完成對頂板的支護。

2 礦壓規律實測

2.1 觀測方案

本研究將KJ24型礦壓監測系統（山東 思科賽德）作為觀測器，監測主要針對3205綜放工作面ZF4400/17/28型液壓支架，支架上安裝礦用本安型數字壓力計，實時監測液壓支架立柱工作阻力，工作面內共安裝無線數字壓力計17臺。自工作面1號架開始向機尾方向每5～7架安裝一臺（架號為：1#、8#、15#、23#、28#、33#、42#、49#、57#、64#、65#、70#、78#、85#、89#、93#、96#），本文以8#液壓支架觀測數據對工作面礦壓顯現規律進行分析。

2.2 液壓支架工作阻力曲線

對8#液壓支架的監測數據進行分析，液壓支架的工作阻力變化曲線如圖1所示，通過分析圖1可知：（1）液壓支架在達到初撐力后，支架阻力處于增阻狀態；（2）工作面靠近運輸巷側多數支架工作阻力較低，多數處于3000kN以下；靠近軌道巷側支架工作阻力較高，受工作面上、下段推采空間因素影響，軌道巷側支架處在傾向應力集中區，應加強此段頂板管理；（3）工作面多數液壓支架的工作阻力較低，前、后柱工作阻力狀態不平衡，工作阻力均小于額定工作阻力值，現場應加強工作面工作阻力與支架狀態管理；（4）工作面基本頂周期來壓距離為11.98～19.03m，平均15m。

圖1 8#支架工作阻力曲線圖

2.3 液壓支架工作阻力頻率分布

在對液壓支架的工作性能進行評判的過程中，通常將液壓支架工作阻力頻率作為評價指標。若工作阻力呈現出正態分布特點，表明液壓工作阻力處于合理區間[4-6]。本研究將每個區間的寬度作為劃分依據，將寬度定為850kN，計算出在不同區段內的液壓支架工作阻力（如圖2所示）。

圖2結果顯示，液壓支架的工作阻力呈現非正態分布的特征，絕大部分工作阻力介于3400kN以下，未達到額定工作阻力要求。從整體來看，所有液壓支架的工作阻力小于額定工作阻力，表明液壓支架選型具有合理性，有助于實現對頂板的控制要求。

圖2 8#支架工作阻力分布直方圖

2.4 液壓支架受力分析

2.4.1 液壓支架初撐力分析

為了獲悉液壓支架初撐力是否處于合理區間，采用數理統計方法分析了8#支架初撐力的分布區間以及前后柱初撐力的平均值（如圖3所示）。ZF4400/17/28型液壓支架額定初撐力為4000kN，從圖3可以看出，工作面支架的初撐力處于1710kN以下的比例占49.3%，處于1710～3420kN的比例占41.5%，處于3420～4000kN的比例占9.9%，生產中需要加強支架初撐力的管理，避免因初撐力過低頂板回轉向支架施加過大的沖擊載荷。

圖3 8#支架初撐力頻率分布直方圖

2.4.2 工作面傾向液壓支架壓力分布

表1結果顯示，工作面液壓支架循環末阻力為1809.4～5173.8kN，平均循環末阻力為2951.2kN，是額定工作阻力的49.2%。

表1 支架平均循環末阻力統計

3 來壓期間工作面頂板控制

在工作面回采過程中，為消除頂板來壓對工作面生產造成的威脅，在頂板來壓期間對頂板實施深孔爆破強制放頂技術。采用煤礦許用乳化炸藥對工作面頂板進行爆破。在工作面回風順槽、運輸順槽2條巷道內進行布孔，巷道內每組分別布置一個基本頂孔、一個輔助孔、一個端頭孔。三級煤礦許用乳化炸藥爆速≥2800m/s，殉爆距離≥2cm，導爆索采用煤礦安全防水抗拉導爆索，雷管采用毫秒延期電雷管；裝藥結構：兩根起爆導爆索分別靠近炮頭及二次炮頭的1m和5m處，炮孔編號如下：1號孔和2號孔分別為回風巷和運輸巷下幫基本頂切斷孔，3號孔和4號孔分別為運輸巷上幫端頭切斷孔和回風巷下幫基本頂切斷孔，5號孔和6號孔分別為運輸巷和回風巷輔助孔。炮孔參數如表2所示。

表2 各個位置炮孔參數

本研究結合頂板的巖體結構和力學特性，依據松動爆破原則，運用類比方法，獲取所選擇炸藥的單耗，實施不耦合裝藥結構。為了形成起爆的保障，將兩根導爆索與每個炮孔的炸藥串進行連接，分別將藥卷插入主、副導爆索的孔底以及距離孔底4～5m處，藥卷長度均應在200mm以上，借助于毫秒延期雷管完成引爆，每次起爆一組炮孔，且需要確保同一炮孔雷管段的一致性。

3205綜采工作面平均推進10.0m 時，工作面中下部頂板開始冒落，局部地段冒落較嚴實，當工作面推進到15.0m 時，采空區頂板全部跨落，采空區充填嚴實，采空區冒落高度、冒落塊度達到了設計要求，達到了預期放頂效果。

4 結論

（1）3205綜放工作面基本頂的周期來壓距離介于11.98m到19.03m之間，平均來壓距離為15m。

（2）工作面支架的初撐力處于1710 kN以下的比例占49.3%，處于1710～3420kN的比例占41.5%，處于3420～4000kN的比例占9.9%，生產中需要加強支架初撐力的管理，避免因初撐力過低頂板回轉向支架施加過大的沖擊載荷。液壓支架前后柱循環末阻力之比在51.4%～1125.4%之間，平均為136.7%，說明液壓支架前后柱受力極不均，這與工作面狀態有關，推采期間液壓支架前柱工作阻力偏大。

（3）在周期來壓期間，應采用深孔爆破技術完成強制放頂工作，形成工作面全部垮落的保障，提升工作面回采工作的安全性。