類孤島工作面強礦壓區域顯現規律及支架適應性

劉如鵬，張展華，鄭東紅

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727306)

0 引言

近年來，隨著智能化時代的到來，煤礦的智能化熱潮也隨之而來[1 -3]。大采高、強采動、無人化、智能化在席卷煤礦領域，因某些工作面所處地質環境影響，采動時需要避開斷層以及構造地帶，因此會形成如孤島以及類孤島的工作面，且隨著強采動孤島以及類孤島工作面部分區域存在礦壓顯現比較強烈的區域[4 -6]。此外，通過分析工作面液壓支架提供的技術參數來評價支架適應性[7 -9]，提高智能化集控系統的精準度[10 -13]。因此，研究分析工作面強礦壓區域顯現規律能夠為回采工作面安全、高效開采提供有利指導[13 -17]。

1 工作面概況

黃陵二號煤礦209工作面屬深埋厚硬砂巖頂板中厚煤層開采條件，位于已采208工作面、已采211工作面及準備巷道之間，形成類似僅有煤柱支撐的類孤島工作面。209工作面走向長度4 087 m(運輸順槽)/4 293 m(運輸順槽)，工作面長度300.5 m，留大巷煤柱181 m/387 m，可采長度為3 900 m，煤層平均厚度為3.0 m，煤容重1.37 t/m3，地質儲量517.5萬t，可采儲量457.6萬t，回采率95%。工作面開采煤層為2號煤層，屬于侏羅系中統延安組，2號煤為黑色塊狀，條痕黑色，弱瀝青光澤，參差狀斷口，以暗煤為主，亮煤次之，絲炭少量，含黃鐵礦結核，屬半暗型煤，內生裂隙發育。工作面煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況

2 工作面強礦壓區域顯現機理分析

2.1 測點布置

工作面支架壓力監測使用每臺支架安裝的機械壓力表和自帶壓力傳感器及配套監控設施進行支架壓力監測，對1#、10#、20#、…、170#支架壓力數據進行記錄、分析。通過采用支架自帶壓力監測系統，監控平臺采用配套的監控軟件，可以從監控中心顯示屏上直接觀察每架支架的工作阻力，也可以直接觀察支架立柱上的壓力表讀數來判斷每架支架的工作阻力情況。

2.2 強礦壓顯現機理分析

通過分析工作面液壓支架原始壓力等值線圖以及周期來壓步距確定強礦壓顯現區域來進行實時監測。監測期間209工作面運輸巷累計推進310.6 m，回風巷累計推進309.5 m，期間每天的平均推進度如圖1所示。推進速度為3.2～13.1 m/d，平均推進速度為10.3 m/d。209工作面監測期間，工作面上部統計了11次周期來壓過程，周期來壓步距界于17.9～34.7 m，平均為25.8 m；工作面下部統計了8次周期來壓過程，周期來壓步距界于19～34.7 m，平均為27 m，相對于正?；夭善陂g周期來壓步距較大，現場礦壓顯現明顯。監測期間209工作面支架原始壓力數據云圖，如圖2所示。強礦壓區回采期間，紅黃色區域為高壓支撐區，可以看出，檢測階段強礦壓區處于工作面中間支架，兩側支架受壓較少，主要原因是兩側為煤柱支撐區，煤柱成了高應力支撐點。如圖3所示，監測期間209工作面來壓期間支架工作阻力平均為42.30 MPa，非來壓期間支架工作阻力平均為38.46 MPa；支架的平均動載系數均呈現出單峰曲線，工作面平均動載系數均值為1.10，支架的整體適應性較好。

圖1 工作面每日推進度統計Fig.1 Daily push progress statistics of working face

3 工作面支架適應性分析

3.1 初撐力分析

支架初撐力及工作阻力均是支架的重要性能參數。支架初撐力取決于乳化液泵站壓力，受各種因素影響，它不等于泵站壓力，初撐力是支架對頂板的主動支撐力。工作阻力是支架維持頂板平衡所需的被動力。支架的初撐力直接影響到支架的支護效果，初撐力的大小對防止頂板離層、工作面煤壁的片幫起著重要作用。支架的初撐力應該盡可能大一些，但是由于液壓管路損失和機械強度極限等原因限制，支架初撐力不可能太大，一般說來支架的初撐力能達到額定初撐力的80%以上屬于合理的范圍，209工作面達標初撐力為25.2 MPa，即6 333.45 kN?；蛘咧Ъ艿某鯎瘟ζ骄蹬c額定工作阻力比值介于0.6～0.7，即支架的初撐力平均值合理區間為23.88～27.86 MPa，則可認為支架初撐力滿足要求。初撐力對本循環或后續循環的支架工作阻力均有重要影響。若支架初撐力太小，為維持頂板的相對平衡，本循環的支架工作阻力將逐漸增加；隨著頂板的下沉，很容易導致頂板發生離層現象，即頂板的整體結構易發生破壞，致使后續循環的支架工作阻力也隨之增加，這種惡性循環不僅不利于支架性能的充分發揮，還將影響支架壽命。

圖2 工作面支架壓力云圖Fig.2 Cloud map of support pressure in working face

圖3 工作面支架動載系數Fig.3 Dynamic load coefficient of support in working face

為了分析工作面支架初撐力的合理性，采取了數理統計方法分析了初撐力的分布區間以及各支架前后柱初撐力的平均值，見表2。監測期間209工作面支架初撐力達標率平均為69.92%，初撐力達標率雖然低于80%，但是支架的實際平均初撐力為26.04 MPa，滿足初撐力25.2 MPa的要求，說明工作面支架初撐力整體狀態較好。

表2 工作面支架初撐力統計

3.2 工作阻力頻率分布

工作阻力頻率分布圖是由支架的工作阻力在不同區間的百分比來確定，具體方法是劃分N個區間(本分析N=10)，分別統計支架工作阻力在各區間所占的百分比。對于理想的支架工作阻力頻率分布圖應是正態分布，處于低阻力和高阻力所占整個區間很少比例，中間部分所占比例較大。若低阻力所占比例較大，支架對頂板支撐作用不明顯，頂板整體下沉，工作面采高降低，容易出現支架被壓死現象；若高阻力所占比例較大，說明支架長期在超負荷狀態工作，安全閥頻繁開啟，影響支架的使用壽命。

結合表3可知，支架工作阻力0～6 000 kN的占比3.7%，6 000～9 000 kN的占比66.5%，9 000 kN以上的占比29.8%，說明支架工作阻力主要分布在6 000～9 000 kN范圍內，超過額定工作阻力10 000 kN的占比8.1%，說明該工作面支架初撐力水平較高，來壓時顯現較為緩和。

支架工作阻力頻率除10#、60#支架工作阻力分布直方圖大致成正態分布外，其他支架工作阻力分布不理想，尤其是20#、30#、40#、50#、70#、80#、90#、100#、110#、120#、130#、140#、150#、160#、170#支架工作阻力在9 000 kN以上的高達20%，支架高壓力區間占比較高。工作阻力頻率分布不合理，說明支架長時間高負荷狀態，影響支架使用壽命。

表3 各支架工作阻力頻率分布

為了更清楚地分析支架壓力高壓區間內的工作阻力分布情況，分別統計了9 000 kN和10 000 kN以上的支架壓力占比，如圖4所示。20#、30#、40#、50#、70#、80#、90#、100#、110#、120#、130#、140#、150#、160#、170#支架壓力在9 000 kN以上的占比超過了20%，211工作面94.11%支架工作阻力處于高阻力區間；30#、50#、80#、90#、110#支架壓力在10 000 kN以上的占比超過了10%。209工作面臨空側最大甚至達到了14.74%，超過了支架的額定工作阻力，支架富裕系數較小。

圖4 支架高壓力區間占比分布Fig.4 Proportion distribution of support high pressure section

3.3 安全閥開啟率分析

安全閥是液壓支架的重要保護元件，當立柱負載超過額定工作阻力時，安全閥開啟從而降低立柱內的液體壓力，使其不超過額定值，保護立柱及支架其他結構件。安全閥開啟率能夠較好地反映出頂板來壓強烈程度以及支架適應性能。根據監測期間的數據統計，工作面回風巷道推進309.5 m，運輸巷道推進310.6 m，平均推進310.1 m，共完成344個割煤循環，各支架的安全閥開啟次數與安全閥開啟率進行統計分析。根據監測到的礦壓數據分析，25#、35#、55#、65#、75#、85#、95#、105#、115#、125#、135#、145#支架安全閥開啟率在10%以上，支架占比達到66.67%，如圖5所示。5#、165#、175#支架安全閥開啟率普遍低于6%，表明209工作面在強礦壓區域時工作面支架安全閥開啟率偏高，支架富裕系數低。

圖5 209工作面強礦壓區域安全閥開啟統計Fig.5 Opening statistics of safety valve in strong mine pressure area of 209 working face

4 結論

(1)黃陵二號煤礦209工作面屬深埋厚硬砂巖頂板中厚煤層開采條件，強礦壓區域周期來壓步距平均27 m，動載系數平均1.10～1.21，具有來壓步距大、來壓持續時間長等特點，工作面礦壓顯現總體強烈。

(2)監測期間工作面支架初撐力達標率平均為69.92%，實際平均初撐力為26.04 MPa，表明工作面支架初撐力整體狀態較好，可實現對頂板的有效支護。

(3)支架工作阻力9 000 kN以上占比平均29.8%，10 000 kN以上占比平均8.1%，工作面支架工作阻力高報比例較高，工作阻力頻率分布不合理，支架長時間高負荷狀態，影響支架使用壽命。

(4)支架安全閥循環開啟率平均13.26%，工作面在強礦壓區域時安全閥開啟率偏高，支架富裕系數低。