天安煤礦20104 工作面礦壓顯現規律及支架適應性分析

賈 俊 英

（陽泉煤業集團天安煤礦，山西 忻州 034000）

1 工程概況

陽泉煤業集團天安煤礦有限公司20104 放頂煤工作面位于井田西南部，西北為201 采區下山（二段），西南至礦界，東南為老空區及其隔離煤柱，東北為201 采區泵房、水倉及201 采區下山（一段）。工作面開采2# 煤層，工作面+1383～+1447m，對應位置地面標高+1500～+1582，工作面開采2#煤層，煤層平均8.0m，煤層中間夾有1～5 層0.1～0.5m 的炭質泥巖夾矸，為簡單～復雜結構煤層，煤層平均傾角為13°，煤層頂底板巖層特征如表1。

20104 工作面采用綜合機械化放頂煤采煤方法，采煤機采用MG300/730-QWD 型大傾角無鏈電牽引采煤機，采煤高度2.5m，放煤步距0.6m，工作面配置中間液壓支架ZF5600/17.5/28 型48 架，支架初撐力為4900kN，額定工作阻力為5600kN，工作面兩端頭配置過渡架ZFG6400/20/32 型6 架，其中機頭3 架，機尾3 架，現為分析工作面回采期間的礦壓規律及支架的適應情況，特進行研究分析。

表1 煤層頂底板情況表

2 礦壓顯現規律

為研究分析20104 綜采工作面的覆巖運動規律，在工作面回采期間，分別在工作面上部、中部和下部布置支架監測站[1-3]，監測回采期間液壓支架的工作阻力，其中工作面上部監測布置在20#液壓支架，工作面中部監測布置在56#液壓支架，工作面下部布置在86#支架。根據工作面回采期間的監測結果，得出工作面不同區域液壓支架的工作狀態如下：

1）工作面上部區域。根據礦壓監測結果得出，工作面回采期間液壓支架時間加權工作阻力隨著推進距離間的變化如圖1 所示。

圖1 工作面上部20#液壓支架時間加權工作阻力曲線圖

分析圖1 可知，工作面上部區域基本頂的平均周期來壓步距為16.9m，來壓的范圍約為5.5m，液壓支架時間加權阻力的平均動載系數為1.13，工作面回采期間支架的時間加權工作阻力平均為4536.6kN，占到額定工作阻力的81.0%。

2）工作面中部區域。根據工作面回采期間中部56#液壓支架工作阻力的監測結果，得出如圖2 所示液壓支架循環末阻力和時間加權工作阻力曲線圖。

圖2 工作面中部56#液壓支架時間加權工作阻力曲線圖

分析圖1 可知，工作面上部區域基本頂的平均周期來壓步距為22m，來壓的范圍約為7.9m，液壓支架時間加權阻力的平均動載系數為1.19，工作面回采期間支架的時間加權工作阻力平均為4427.4kN，占到額定工作阻力的79%。

3）工作面下部區域。根據工作面回采期間86#支架的監測結果得出支架時間加權工作阻力曲線如圖3 所示。

圖3 工作面下部86#液壓支架時間加權工作阻力曲線圖

分析圖3 可知，工作面上部區域基本頂的平均周期來壓步距為16.4m，來壓的范圍約為5.7m，液壓支架時間加權阻力的平均動載系數為1.37，支架的時間加權工作阻力平均為5084.5kN，占到額定工作阻力的90.8%。

基于上述分析可知，20104 工作面回采期間，工作面上部區域、中部區域和下部區域的平均周期來壓步距分別為16.9m、21.9m 和18.4m，來壓的影響范圍分別為5.5m、7.9m 和5.7m 動載系數分別為1.28、1.74 和1.32，根據該數據可知，工作面采動影響下的動載系數表現為工作面兩端頭大、中部小的特征，且工作面頂板的周期來壓步距和來壓范圍同樣也表現為兩端大、中間小的特征。

3 支架適應性分析

為充分分析20104 工作面厚煤層綜放開采方式下，ZF5600/17.5/28 型液壓支架的工作特性，現根據液壓支架初撐力與循環末阻力間的相關性分析及支架支護阻力的頻率分布特征進行分析。

3.1 支架初撐力與循環末阻力間相關性分析

綜放工作面開采過程中，液壓支架的初撐力對頂煤的運動特性產生較大程度的影響，若支撐力不合適（過大或過小）時，此時工作面進行綜放作用時會增大其可能出現的冒頂次數[4-6]，現通過分析液壓支架循環末阻力與初撐力之間的曲線關系，判斷支架初撐力的合理與否，以此了解液壓支架與工作面圍巖間的關系，并通過分析數據，合理調整支架的初撐力，以實現工作面頂煤的穩定，確保工作面的安全回采。

根據工作面回采期間液壓支架的工作阻力監測數據，通過統計分析能夠得出工作面上部、中部和下部區域的支架初撐力與循環末阻力之間的曲線關系如圖4 所示。

圖4 支架循環末阻力與初撐力數據關系擬合圖

通過具體分析圖4 可知，20104 工作面液壓支架循環末阻力與初撐力之間的參數關系R2＜0.3，基于該數據可知支架這兩項參數間呈現為低度相關的特性，故現為充分保障工作面回采期間的覆巖頂板的穩定，需調整支架的初撐力以充分提高其對頂板的支撐能力；另外通過提升支架的初撐力能夠對頂煤和直接頂形成一定的支撐，故合理的初撐力對于綜放工作面頂板的控制較為重要。

3.2 支架支護阻力頻率分析

在20104 工作面回采過程中，液壓支架的工作阻力會在每個單獨的回采循環內受到各種因素的影響而產生一定的變化，基于上述分析可知，工作面兩端頭的來壓強度相對較大，且在工作面傾斜方向上液壓支架對于頂板的支護作用也會呈現一定的差異，進而表現為工作面不同區域液壓支架的工作阻力會發生一定程度的變化。根據工作面回采期間液壓支架的監測結果，得出工作面不同區域液壓支架時間加權阻力分布特征如圖5 所示。

圖5 工作面不同區域時間加權阻力分布直方圖

分析圖5（a）可知，工作面回采期間，工作面上部區域的支架的時間加權阻力最主要分布在3000～6000kN 的區間內，占到統計量的99.5%，其中支架時間加權支護阻力又主要落在4000～500kN 范圍內，占到統計量的50.26%；支架時間加權支護阻力超過支架額定支護阻力的比例約達到1%。分析圖5（b）可知，工作面中部時間加權支護阻力同樣主要分布在3000～6000kN 的范圍內，但中部區域液壓支架工作阻力超過額定工作阻力的比例達到9.5%；分析圖5（c）可知，工作面下部液壓支架時間加權工作阻力在3000～6000kN 范圍內的分布較為均勻，下部支架加權阻力超過額定工作阻力的占比為6%。

基于上述分析可知，20104 工作面回采期間，液壓支架工作阻力呈現出中間大兩端小的分布特征，ZF5600/17.5/28 型液壓支架在工作面的上部、中部和下部區域超出額定工作阻力的比例分別達到1%、9.5%和6%，據此可知該支架的額定工作阻力偏小，工作面回采期間存在一定的壓架危險性，且該支架在工作面中部區域的適應性相對較差，故應在工作面來壓期間加強液壓支架的管理，液壓泵站提供充足的壓力，以充分保障支架的安全。

4 結 論

通過在20104 工作面回采期間進行液壓支架工作阻力特征的監測分析，分析支架時間加權工作阻力與推進距離曲線間的關系得出工作面的周期來壓步距為16.9～21.9m，工作面動載系數表現為工作面兩端頭大、中部小的特征；基于支架適應性的分析，得出液壓支架工作阻力呈現為中間大、兩端小的特征，ZF5600/17.5/28 型液壓支架額定工作阻力偏低，回采期間存在支架工作阻力超出額定工作阻力的現象，故在工作面來壓期間應加強液壓支架的管理，以保障工作面的安全回采。