特厚煤層放頂煤工作面礦壓顯現基本規律研究

李昂

（大同煤礦集團有限責任公司技術中心 山西大同 037003）

1 引言

大同煤礦集團有限責任公司基于最大限度地利用有限資源和企業可持續發展的需要，進行了20多年的綜放開采技術攻關，從20世紀80年代末的侏羅紀上分層綜采自動鋪網，下分層高位放頂煤開采試驗到一次采全高高位、中位、低位放頂煤開采，下分層低位放頂煤，最終探索出一套適用于特厚煤層的安全高效放頂煤開采技術[1]。厚煤層綜放開采礦壓顯現規律一直是放頂煤開采研究的重要內容。

由于采用厚煤層放頂煤開采，超前支承壓力影響范圍增大，致使工作面前方頂煤超前破碎，在工作面來壓時，經常出現機道上方冒頂和煤壁片幫現象，處理頂煤冒落費工費時，導致工作面推進速度很慢。揭示工作面礦壓規律對保障工作面安全、高效的開采十分必要[2]。

目前綜放面普遍使用的四柱式放頂煤液壓支架前后立柱受力不均衡、工作阻力利用率低。受放煤工序的影響，支架后柱阻力常常降為零，由此引起的頂板事故時有發生[3]。這表明現用的高阻力支架并不能保證是高可靠性支架。所以，如何利用礦壓規律來提高液壓支架可靠性的問題有待解決。

本文將針對上述兩個問題展開研究，分析現場監測數據，獲得礦壓顯現基本規律與支架阻力變化情況。

2 工作面概況

研究數據采取于同忻礦8202工作面，該面對應地面標高為1 192 m～1 307 m，工作面標高790 m～815 m，蓋山厚度377 m～517 m。北部與西8101 工作面相鄰，現工作面平均已回采65.6 m。

東部為實煤區，南部至北二盤區三條盤區大巷。西部為8203回采工作面采空區，8202工作面上覆為同家梁、永定莊侏羅系各可采煤層采空區，下部14#層到3-5#煤層層間距105 m～185 m，見圖1，圖2。

圖1 二盤區8202工作面布置圖

圖2 二盤區8202工作面上下位置關系對照圖

煤層厚度13.61 m～28.92 m，平均厚度15.26 m，其中夾矸1.96 m。煤層為復雜結構，煤層含夾石層8 層左右，夾石厚度最小0.12 m，最大0.35 m，平均0.25 m，煤層結構 為 2.80（0.35）0.95（0.25）3.65（0.24）2.64（0.20）1.88（0.28）2.60（0.12）1.84（0.32）0.80（0.20）1.46，見圖3，圖4。

圖3 回風巷揭煤剖面

圖4 運輸巷揭煤剖面

3 工作面礦壓顯現規律研究

為了掌握工作面礦壓顯現基本規律，在工作面第8#～108#組支架間每 10 組布置一臺監測分站，共 11 臺監測分站，通過對監測數據的整理與分析，揭示了工作面來壓顯現規律。

礦壓監測期間，工作面共推進131 m，共計172 個作業循環，實測165個循環，漏7個循環。以各循環實測末阻力平均值加一倍均方差Sp，作為判斷頂板初次來壓和周期來壓的判斷依據，即滿足公式：

式中，Pti為各循環的實測末阻力；n為實測循環數；P′為周期來壓支架工作阻力。

根據支架的循環末阻力曲線（見圖5），可以得到8202工作面初次來壓步距與周期來壓步距，統計結果見表1，表2。

表1 工作面支架來壓步距統計

表2 工作面頂板來壓特征

結合表1、表2 可知，自工作面初采至礦壓觀測結束，在此期間工作面經歷了頂板初次來壓，8次周期來壓；工作面來壓期間，支架的平均工作阻力平均為9 516 kN，為支架額定工作阻力的63.5%，所受最大工作阻力為14 813 kN，為支架額定工作阻力的98.8%，說明了ZF15000/27.5/42 型正四連桿低位放頂煤支架在8202工作面具有良好的適應性和使用效果；工作面上部平均動載系數達到了2.1，18#支架動載系數更是高達2.4，28#支架受力特點與18#支架存在相似之處。

4 放煤前后支架阻力分析

為了分析綜放工作面液壓支架在放煤前與放煤后支架前后柱的受力變化情況，結合現場三輪放煤模式，即從工作面端部開始，分3輪進行放頂煤，當第1輪進行放頂煤結束后，從工作面起始放煤側打開第2 輪的放煤口，當第2輪進行放頂煤結束后，從工作面起始放煤側打開第3輪的放煤口。下面將針對壓力監測儀采集的較為典型的壓力值進行前后柱受力分析，以了解其變化規律，如下圖所示。

圖6 放煤第一輪前后柱工作阻力曲線

圖7 未放煤第二輪前后柱工作阻力曲線

圖8 放煤第三輪前后柱工作阻力曲線

由于工作面不斷向前推進，液壓支架也隨之不斷處于“降架—移架—升架”的循環之中，加之頂板也是在不斷地運動之中，因而液壓支架的承載是一個動態過程。

支架前后柱壓力值在放煤前后具有如下規律：

（1）在移架升起達到初撐力后，支架的前后柱受力隨著頂板的不斷下沉，均呈近線性增阻狀態；

（2）在放煤過程中，支架的前后柱支護阻力都有不同程度的降低，后柱降阻程度高于前柱。

（3）放煤結束后，隨著時間的推移，支架前后柱受力均開始逐漸增大。

5 結論

通過對同忻煤礦8202 工作面不同放煤階段礦壓監測，分析了綜放工作面液壓支架在放煤前與放煤后支架前后柱的受力變化情況，揭示了其礦壓顯現規律及放煤過程中支架前后柱壓力變化規律，得出如下結論：

（1）綜放工作面初采期頂板來壓活動頻繁，來壓步距較短，來壓強度大。工作面上部頂板平均初次來壓步距、平均周期來壓步距和平均來壓動載系數都大于工作面中部和下部，而且工作面下部最小，工作面上部支架載荷受力存在不均勻現象。

（2）支架在推進過程中，其后柱受到阻力一般小于前柱；在來壓時，前后柱阻力均增大，但是前柱增加程度小于后柱；在放煤工作期間，前后柱阻力均減小，前柱減小程度小于后柱；放煤完成后，前后柱阻力逐漸增大。