掌石溝煤業15102工作面礦壓特征及支架合理性分析

畢學鋼

(山西煤炭運銷集團 掌石溝煤業公司，山西 高平 048400)

1 工程概況

山西煤炭運銷集團掌石溝煤業現開采15號煤層，煤層結構較簡單，厚度為3.96～4.1 m，平均4.03 m，含1～2層夾矸，傾角為0～6°。煤層直接頂為0.25 m厚的砂質泥巖，老頂為7.9 m厚的K2灰巖；直接底為4.3 m厚的含鋁質泥巖，老底為4.55 m厚的砂質泥巖。煤層整體形態為北高南低、西高東低的單斜構造，局部有小褶曲，總體傾向南東20°，走向北東70°。15102工作面位于井田西部，是一采區的第二個工作面，工作面東部為實體煤，西部為15101采空區，南部與采區三條大巷相連，北部相距114 m為礦井邊界。根據巷道揭露的地質資料，15102工作面周圍無陷落柱和大斷層出現，但局部有小褶曲，煤層有較小起伏。工作面采用走向長壁綜合機械化一次采全高采煤法，選用ZZ8200/22/45型四柱支撐掩護式液壓支架76架，ZZG8800/22/45型過渡支架6架。

2 礦壓觀測及顯現規律研究

2.1 礦壓觀測目的及測站布置

為了掌握15102工作面回采過程中的礦壓顯現規律以及支架的適應性，對液壓支架的工作阻力、工作面老頂初次來壓以及周期來壓步距進行了觀測分析。本次觀測采用KJ504礦壓監測系統進行，在工作面布置三個測站，其中1測站分別在8號、11號、14號支架安裝壓力傳感器進行測量，代表工作面上部；2測站分別在35號、38號、41號支架安裝壓力傳感器，代表工作面中部位置；3測站分別在65號、68號、71號支架安裝壓力傳感器，代表工作面下部。每班讀取記錄一次數據，存儲在KJ504礦壓監測系統中，以備后期分析。礦壓觀測站布置見圖1。

圖1 工作面礦壓觀測站布置

2.2 支架工作阻力觀測結果分析

本文對工作面推進115 m后3個測站的實測數據進行了歸納、整理、分析，繪制出了工作面不同推進距離時各測站液壓支架的工作阻力，如圖2-圖4。

圖2 1測站工作阻力隨工作面推進距離變化

由圖2可得，在回采初期即30.8～46.6 m支架工作阻力相對較低，最大值為32.3 MPa，而伴隨著老頂初次來壓，在工作面回采至47.6～55.6 m之間，支架工作阻力快速增大，最大達到了44.7 MPa，隨后工作面回采到中部階段即55.6～87.6 m之間，支架工作阻力下降，期間隨著周期來壓工作阻力有所起伏，但起伏不大，在工作面回采至88.6～112 m之間時，工作阻力起伏相對較大，期間最大達到了42.4 MPa；可以發現整個回采過程中1號測站支架工作阻力在回采階段的前段和后段波動較大，而中部階段較為平穩的原因是當回采到中部時，中部支架起主要支撐作用，而前部支架相對受力較小。

圖3 2測站工作阻力隨工作面推進距離變化

由圖3可知，整個曲線前后柱工作阻力相差較為明顯，其中前柱工作阻力相對較大，后柱工作阻力較低，平均工作阻力基本上都小于額定工作阻力。在推進距離為50.6～55.6 m時，后柱的工作阻力達到峰值為47.3 MPa，發現大于額定阻力，這是因為老頂初次來壓導致局部支架工作阻力增大；在推進距離為30～40 m時，前后柱工作阻力都小于35 MPa；推進距離在67.6～112 m之間，前后柱工作阻力之間差距明顯變大，在104 m左右時，最大相差40 MPa，可以看出此時前柱發揮主要支撐作用，在推進距離為90～112 m之間時，支架工作阻力有所降低。綜上所述，在工作面中部液壓支架前后柱工作阻力在工作面回采過程中相差較大，表明隨著周期來壓，工作阻力波動較大，運行不平穩，而且整個回采過程中中部支架工作阻力都相對較大，表明中部礦壓較為劇烈。

圖4 3測站工作阻力隨工作面推進距離變化

由圖4可知，在工作面推進30.8～48.6 m之間，支架工作阻力相對平穩，起伏不大；在回采至49.6～88.6 m之間，曲線起伏明顯，在此期間老頂初次來壓以及周期來壓導致支架工作阻力變動較大，其中最大工作阻力接近40.7 MPa；在回采至89.6～112 m時，期間曲線又發生了兩次較大的起伏，最大工作阻力達到了38.3 MPa，這是因為期間發生了兩次周期來壓。通過對3測站液壓支架工作阻力的觀測可得，伴隨著回采過程的進行，支架工作阻力因為頂板來壓發生了明顯的起伏，另外從曲線峰值點可以看出最大值為40.7 MPa，與中部支架工作阻力相比較低。

綜上所述，1測站最大平均工作阻力達到峰值為42.4 MPa，2測站最大平均工作阻力達到峰值為43.3 MPa，3測站最大平均工作阻力達到峰值為39.6 MPa，從三條曲線來看雖然有個別點的工作阻力超過了額定阻力，但是其整體工作阻力依然在額定工作阻力之下，另外從3個測站所繪曲線的變化情況來看，礦壓總體規律為工作面中部礦壓較兩端強烈。

3 老頂周期來壓觀測及支架適應性分析[1-2]

3.1 老頂周期來壓判據

為了了解回采過程中的上覆巖層運動規律，并分析老頂的動態演變，采用礦壓觀測中經常使用的數理統計對老頂周期來壓步距進行判據，具體可由下列公式進行判據：

根據3個測站的觀測，利用公式對數據進行整理匯總，進而得到如圖5所示的支架平均工作阻力和老頂來壓判據。

圖5 支架平均工作阻力和老頂來壓判據

由圖5可以看出，當推進到50.6 m時老頂初次來壓，隨著工作面的深入推進，老頂來壓又呈現周期性的變化，推進到61.4 m時發生第一次周期來壓，推進到74.5 m時發生第二次周期來壓，推進到85.7 m時發生第三次周期來壓，推進到94.8 m時發生第四次周期來壓，推進到104.7 m時發生最后一次周期來壓，從中可以看出最大周期來壓步距為13.1 m，最小周期來壓步距為9.1 m；總體顯現中間阻力大兩邊小，其中支架平均工作阻力在中部的增大也說明了老頂對工作面的壓力增大，進而導致支架承受力增大。

為了進一步判斷老頂周期來壓強度，通常使用動載系數來衡量老頂周期來壓的強度，為此用下列公式對數據進行整理分析可得到不同周期來壓的動載系數。

式中：q為動載系數；p老為老頂周期來壓期間所測得的平均工作阻力，即支架的平均荷載；p平為非周期來壓期間所測得的平均工作阻力。

根據觀測所得數據，對各個階段的動載系數進行計算整理得到表1工作面來壓特征。

表1 工作面來壓特征

由表2可以看出，動載系數最小值為1.25，最大值為1.39，平均1.32左右，根據該礦以往經驗及工作面地質條件，正常情況下該工作面動載系數應控制在1.02～1.28之間，1.32相對與正常工作面的動載系數較大，表明支架初撐力設置相對過低。

3.2 支架適應性分析

掌石溝煤業15102工作面選用的支架型號為ZZ8200/22/45型，支撐高度為2.2～4.5 m，額定工作阻力為41.7 MPa，初撐力為31.5 MPa，為了對支架的合理性進行分析，通過對工作面回采過程中支架的初撐力和工作阻力的分布頻率進行分析，得到了不同區間支架初撐力及工作阻力的分布如圖6、圖7所示。

圖6 工作面支架初撐力頻率分布直方

圖7 工作面支架工作阻力頻率分布直方

由圖6可以看出，支架初撐力大部分分布在5～25 MPa之間，占據了所測總數的78.3%，而初撐力在25～35 MPa之間的支架僅為總量的10.9%，30～35 MPa之間僅占所測總數的3.8%，平均初撐力僅為16 MPa，為額定初撐力的50.1%，可見支架初撐力偏低。由圖7可得，支架工作阻力在20～25 MPa的占所測總數的21%，25～30 MPa占據所測總數的23%，40～45 MPa區間支架數僅占所測總數的5.1%，工作阻力在0～40 MPa之間的支架占所測總數的94.9%，平均支架阻力為32.1 MPa，占額定工作阻力的76.1%，可以看出額定工作阻力還有一定的富裕。

4 結 語

通過對山西煤炭運銷集團掌石溝煤業15102工作面回采過程中支架的初撐力以及工作阻力進行觀測，確定了工作面老頂初次來壓步距為50.6 m，最大周期來壓步距為13.1 m，最小周期來壓步距為9.1 m；支架初撐力設置相對偏低，需要進一步加大支架初撐力達到所需要求，并加強對頂板的管理。