液壓支架炮采工作面礦壓顯現規律研究

路建軍

(長治市郊區煤炭工業局，山西 長治 046011)

在炮采工作面采用液壓支架支護的開采方式在我國比較鮮見，原因有：一方面，這種方式會增加設備初期投入和開采成本；另一方面，也會使操作更加復雜，靈活性會受到影響。但是，這種支護方式能大大提高支護的承載能力、對圍巖變形的適應性以及作業的機械化程度，增強作業安全性，降低工人勞動強度，減少頂板事故。因此，在地質構造比較復雜或頂板穩定性較差的炮采工作面采用液壓支架支護有其積極的意義[1-3]。

臨沂礦業集團田莊煤礦3601炮采工作面使用泰安煤機廠生產的液壓支架支護，由于該礦以前沒有采用過液壓支架支護條件下的炮采開采方法，因此研究該工作面的礦壓顯現規律對安全高效開采具有重要意義[4-5]，且能為該技術的推廣應用積累寶貴的經驗。

1 工作面地質與生產條件概況

1.1 地質概況

3601工作面為二采區南翼第一個采煤工作面，埋深203 m～251 m。工作面主采16上煤，煤層傾角0°～12°，平均7°，厚度1.1 m～1.5 m，平均1.22 m。

據實測分析，煤層直接頂和老頂均為十下灰巖，厚4.85 m～5.75 m，平均5.4 m，致密堅硬，裂隙較發育，為鈣質充填，其中，直接頂厚2.8 m，老頂厚2.6 m；直接底為泥巖，厚1.62 m～3.37 m，平均2.71 m，深灰色，塊狀構造，上有一層約1.2 m的灰白色鋁質粘土，松軟，遇水易膨脹。

1.2 工作面生產技術狀況

3601工作面走向長度為637 m，傾斜長度為272 m，采用對拉面布置，上下面錯距為3.6 m～5 m。工作面采用走向長壁采煤法，全部垮落法處理采空區，使用煤電鉆人工打眼、裝藥，爆破落煤，液壓支架控制頂板。

工作面總計配置支撐掩護式液壓支架212架，上面98架，下面114架，其中上、下順槽端頭各配置1架ZZT3600/12/23型過渡端頭支架，中順槽配置3架ZZH2400/12/23型中巷端頭支架。基本支架型號為ZZ2400/08/15。支架初撐力為31.5 MPa，額定工作阻力為39.7 MPa。

2 工作面頂板運動規律分析

2.1 直接頂初次垮落步距

根據現場實測，3601工作面直接頂初垮步距在14.8 m左右。

直接頂初次垮落后，在采空區冒落厚度大致在3.5 m，小于巖層的允許冒落空間高度(約4.02 m)，因此尚有較大空隙未接頂。

2.2 直接頂懸頂距

巖層質量指數是評價巖層穩定性和運動特征的重要參數，反映了巖石的抗壓強度、分層厚度和節理裂隙間距這三個影響巖層運動的最主要因素對巖層運動的綜合影響[6]。

在直接頂厚度為采高2倍左右的采場進行統計，結果表明：直接頂質量指數uz與懸頂距Ls近似關系如表所示1。

表1 uz-Ls關系表Table 1 Relation of uz-Ls

(1)

式中：uz為直接頂質量指數；n為組成直接頂的巖層數；Hi，u(i)為第i層的厚度和質量指數。

代入數據可求得uz=0.63。根據表1，可知3601工作面懸頂距為2 m左右。

現場觀測表明，工作面直接頂垮落后隨支架前移，直接頂大多有懸頂現象，通常懸頂在1 m～3 m后基本能自行垮落，個別地方最大懸頂可達到4 m～5 m。

2.3 老頂初次來壓步距

類似地，將老頂的基本參數代入式(1)可計算出老頂質量指數uE=0.51。

表2反映了老頂質量指數與其結構形式的關系。由于0.2

表2 質量指數與老頂結構形式關系Table 2 Relation between quality index and main roof structure

由式(2)[7]可計算老頂的初次來壓步距:

C0=1.8M+25.7=31.64 m .

(2)

根據《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類》(MT554-1996)規定，周期來壓步距近似為初次來壓步距的1/2.5～1/2，因此，周期來壓步距大致為12.66 m～15.82 m。

2.4 老頂周期來壓步距

在工作面內布置上、中、下3個測站，4條連續監測的支架工作阻力測線[8-9]，從下至上觀測支架編號依次為106#、61#、21#和20#。以工作面支架循環末工作阻力的高峰值作為依據來劃分，在觀測期間共經歷了5～7個周期來壓，圖1列出了各支架位置頂板周期來壓步距數值。

圖1 各測點處頂板實測來壓步距Fig.1 Periodic weighting intervals of measuring points on the roof

由圖1數據求得的工作面各部位周期來壓步距有較大波動變化，平均為16.47 m。

2.5 合理支護強度的確定

工作面合理支護強度按如下方法綜合考慮確定[7]。

1)按直接頂初次垮落步距估算:為防止直接頂第一次垮落時造成切頂事故，所必須的支架承載能力P0z為：

(3)

式中：mz為直接頂厚度，m；γz為直接頂容重，取為2.5×103Kg/m3；L0z為直接頂初次垮落步距，m；Lk為控頂距，根據工作面支架支護情況取為4.5 m。

將有關數值代入上式，可得：P0z=0.11 MPa。

2)按老頂初次來壓估算所需支護強度：防止老頂巖梁來壓時造成切頂垮落事故所必須的支架承載能力P0E可按下式進行計算：

(4)

A=mzγzfz.

(5)

(6)

式中：mE為老頂厚度，m；LE為老頂巖梁初次斷裂步距，m;γE為老頂容重，取為2.5×103 Kg/m3；fz為直接頂懸頂系數；ni為控頂區內支護反力合力作用位置與控頂距的比值，此處取為0.67。

將有關數值代入上式，可得：P0E=0.36 MPa。

3)按正常推進階段估算所需支護強度：支架對頂板的工作狀態有兩種形式，一種是“給定變形”，一種是“給定載荷”。本研究以“給定變形”為例進行計算老頂來壓期間合理支護強度的確定。所謂“給定變形”指的是老頂的最大下沉量(老頂無阻礙最終沉降量)比較小，支架有足夠的下縮空間保證頂板的最大下沉而不被壓死，這時支架主要承擔直接頂的重量，對老頂采取讓壓措施，也就是說老頂的荷載由于支架的下縮而被釋放了。此時支架所受的載荷為：

P=mzγzfz.

(7)

(8)

式中：x0為控頂區內支護反力合力作用位置，此處取為3 m。

將有關數值代入上式，可得：P=0.11 MPa。

根據上述理論，3601工作面合理支護強度P應不小于0.36 MPa，基本支架型號為ZZ2400/08/15，額定支護強度為0.58MPa，理論計算得到的支護強度P為額定值的62.46%，可見ZZ2400/08/15支架的支護強度滿足本工作面頂板支護要求。

3 工作面礦壓顯現特征

3.1 頂板來壓期間支架工作阻力變化

頂板運動引起的工作面不同位置頂板來壓對支架阻力的影響見圖2，共統計了5～7個周期來壓的頂板壓力顯現情況，表3為各支架頂板來壓時的平均動壓比。

圖2 實測頂板來壓時各支架活柱工作阻力Fig.2 Working resistance of supporting pillars during roof weighting

壓力部位106#61#21#20#綜合動壓比1.591.632.452.291.64

由上述測試數據及支護阻力分布情況可以看出：

1) 周期來壓時支架的平均動載系數為1.64，屬周期來壓較明顯的炮采工作面。

2)老頂周期來壓時工作面上部和下部礦山壓力顯現較明顯，相對而言，中部的礦山壓力顯現較弱。

3) 上部21#、20#和中部61#支架來壓前后支架工作阻力分布差距較大。而下部106#支架來壓前后支架工作阻力分布差距較小。

3.2 老頂周期來壓步距

通過對老頂5個周期來壓的觀測，周期來壓的持續步距統計結果見圖3和表4。可見，頂板來壓前，工作面不同部位老頂的來壓步距相差不大；老頂來壓持續時間的差異性較大，工作面有明顯的分段來壓現象，工作面下部老頂先來壓，中部次之，上部來壓最晚。

圖3 頂板周期來壓持續步距/mFig.3 Continuous interval of roof periodic weighting

壓力部位106#61#21#20#平均來壓前13.912.415.514.714.1來壓時1.62.881.943.222.41

4 工作面超前支承壓力顯現規律

4.1 工作面順槽巷道圍巖變形

3601工作面兩巷的平均圍巖平均移近量曲線見圖4。由圖可知下順槽和上順槽的頂底板和兩幫移近量都主要集中在工作面前方約20 m范圍內，且距工作面煤壁越近，移近速度越快。從整體變化趨勢上來看，下順槽的頂底板移近量明顯小于兩幫移近量，而上順槽內兩幫移近量與頂底板移近量相差不大。

4-a 下順槽

4-b 上順槽圖4 工作面兩巷圍巖平均移近量Fig.4 Average convergence of surrounding rock between two roadways in working face

4.2 超前支護單體液壓支柱載荷變化規律分析

隨著工作面推進，巷道前方應力集中程度逐漸加大，在老頂斷裂時達到最大，超前支護區的單體液壓支柱載荷變化也說明了這一點。圖5為下順槽和上順槽超前支護單體支柱各循環平均載荷隨距工作面距離變化的曲線圖。

5-a 下順槽

5-b 上順槽圖5 工作面兩巷超前支護單體支柱各循環平均工作阻力Fig.5 Average working resistance of single prop of advance support of two roadways in working face

由圖5可知，順槽在工作面前方20 m處已經受到采動影響，在工作面前方8 m處單體液壓支柱承受荷載最大，在8 m范圍之內和之外單體液壓支柱承受荷載都有減小的趨勢，由此推斷，工作面上、下順槽的超前支承壓力峰值均在工作面前方8 m左右處，而工作面采動影響范圍約在工作面前方0～20 m。

5 結論

在3601工作面現場礦壓觀測資料的基礎上，結合礦山壓力理論，對液壓支架炮采工作面礦壓顯現規律進行了全面分析，得出以下主要結論：

1)3601工作面直接頂初次垮落步距為14.8 m，老頂初次來壓步距為31.64 m，老頂周期來壓步距為16.47 m。

2)3601工作面老頂周期來壓時支架的平均動載系數為1.64，屬于周期來壓較明顯的炮采工作面；老頂周期來壓時工作面上部和下部礦山壓力顯現較明顯，中部的礦山壓力顯現較弱；工作面有明顯的分段來壓現象，工作面下部老頂先來壓，中部次之，上部來壓最晚。

3)工作面超前支承壓力峰值在工作面前方8 m左右，采動影響范圍約在工作面前方0～20 m。