邢桂新，項(xiàng) 國(guó)，徐騰飛，孫英天，顏丙雙

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué))

S204綜放工作面位于秦源煤礦+520 m水平，該面地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層呈單斜構(gòu)造。該面煤層厚度5.0～8.98 m，平均7.8 m，煤層傾角平均為15°，工作面傾斜長(zhǎng)175 m，推進(jìn)長(zhǎng)度1 567 m；煤質(zhì)較軟，硬度系數(shù)為0.8。在頂煤中含有一定厚度的硬煤夾層，硬度系數(shù)為1.2，厚度為0.5～1.5 m。直接頂為灰色、深灰色砂質(zhì)泥巖，平均厚度為4.13 m；老頂為灰白色含礫粗砂巖，成分主要為石英，高嶺土泥質(zhì)膠結(jié)、較堅(jiān)硬，平均厚度為3.5 m。該工作面采用綜合機(jī)械化走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤采煤方法，割煤截深0.6 m，割煤高度2.5 m，放煤高度5.3 m，采放比1∶2.12。工作面采用ZF5500 /17 /28HQ型放頂煤支架，初撐力4 321 kN，額定工作阻力5 446 kN。

1 工作面來(lái)壓特征及支架工作阻力分析

1.1 觀測(cè)方案

工作面礦壓觀測(cè)設(shè)備采用KBJ-60Ⅲ-1綜采支架工作阻力連續(xù)記錄儀。將工作面分為上、中、下3段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，共設(shè)3個(gè)測(cè)站，上部測(cè)站安裝3個(gè)壓力傳感器，中部測(cè)站安裝4個(gè)壓力傳感器，下部測(cè)站安裝3個(gè)壓力傳感器。其中110#、99#、88#支架組成上部測(cè)站，77#、66#、55#、44#支架組成中部測(cè)站，33#、22#、11#支架組成下部測(cè)站。測(cè)區(qū)布置示意圖見(jiàn)圖1。

1.2 工作面周期來(lái)壓

工作面的周期來(lái)壓步距平均為16.1 m，在綜放開(kāi)采不含硬煤夾層段時(shí)，周期來(lái)壓步距平均為12.3 m?？梢?jiàn)由于硬煤夾層的影響，工作面的平均周期來(lái)壓步距增大。動(dòng)壓系數(shù)平均值為1.40。來(lái)壓步距及強(qiáng)度見(jiàn)表1。3個(gè)測(cè)站支架工作阻力隨工作面推進(jìn)的變化曲線見(jiàn)圖2，來(lái)壓時(shí)平均工作阻力為3 907.5 kN/架，是平時(shí)支架載荷2 790 kN/架的1.4倍。平均動(dòng)壓系數(shù)略高于全國(guó)放頂煤工作面的平均動(dòng)壓系數(shù)(1.37)，來(lái)壓較明顯。

圖1 測(cè)區(qū)布置示意圖

表1 來(lái)壓步距及強(qiáng)度

圖2 支架工作阻力隨工作面推進(jìn)的變化示意圖

從觀測(cè)的數(shù)據(jù)分析可知，S204工作面在推進(jìn)過(guò)程中，由于受到煤厚變化、地質(zhì)構(gòu)造及推進(jìn)速度等各種復(fù)雜條件的影響，導(dǎo)致周期來(lái)壓表現(xiàn)出的主要特征為：工作面上、中、下各個(gè)部位周期來(lái)壓時(shí)間不一致，來(lái)壓步距也不相同， 即使在同一測(cè)區(qū)， 每次周期來(lái)壓步距也有差異。周期來(lái)壓步距在一定程度上受頂煤放出率的影響，放煤不充分時(shí)，因頂板條件差異和頂煤放出不等，造成頂板垮落不均勻，形成分段來(lái)壓，差異比較大。

1.3 支架工作阻力測(cè)定

本次觀測(cè)得到了大量的數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2，表3。

表2 支架初撐力實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì) kN/架

表3 支架循環(huán)末阻力實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì) kN/架

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，可得出以下結(jié)論：

1) 沿工作面全長(zhǎng)支架載荷的分布特點(diǎn)為：工作面兩端壓力小于中部壓力，上端壓力小于下端壓力。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中也可以發(fā)現(xiàn)，煤壁片幫等主要集中在工作面中部及下部區(qū)域，表明該區(qū)域支架載荷較大，礦壓顯現(xiàn)比較顯著。

2) 實(shí)測(cè)工作面支架初撐力平均值為2 343 kN/架，為額定初撐力的54.2%，初撐力利用率偏低，尤其工作面上部支架的初撐力平均值為1 951 kN/架，只相當(dāng)于額定初撐力的45.2% ，可見(jiàn)上部支架的初撐力偏低。支架初撐力是支架作用于頂板的主動(dòng)力，其大小對(duì)于頂板的穩(wěn)定性控制及頂煤的放落回收具有很大影響。一般在軟煤條件下，支架應(yīng)具有高初撐力、低阻力，使額定工作阻力與初撐力的差值減小，這樣有利于對(duì)端面頂煤的穩(wěn)定性控制。S204工作面支架初撐力低的原因，經(jīng)分析認(rèn)為有以下幾個(gè)原因：

a) 升柱時(shí)注液時(shí)間較短。b) 注液槍注液時(shí)有漏液現(xiàn)象。c) 部分立柱管理不力，存在漏液現(xiàn)象。

3) 實(shí)測(cè)工作面支架循環(huán)末阻力平均值分別為3 076 kN/架，相當(dāng)于額定工作阻力的56.5% ，可見(jiàn)支架的利用率偏低，支架性能沒(méi)發(fā)揮出來(lái)。因此，要加強(qiáng)工作面現(xiàn)場(chǎng)管理，提高支架的初撐力，充分發(fā)揮支架的工作效率。

4) 實(shí)測(cè)最大工作阻力平均值為4 721.7 kN/架，相當(dāng)于額定工作阻力86.7%。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中，最大工作阻力為4 991 kN/架，相當(dāng)于額定工作阻力的91.6%。由此可見(jiàn)，支架是在較富裕工作阻力下運(yùn)行的，可見(jiàn)工作阻力可以滿足工作面實(shí)際開(kāi)采的要求，所選低位放頂煤支架ZF5500/17/28HQ的性能完全能夠滿足工作面對(duì)頂板的支護(hù)要求。

2 工作面超前支承壓力分布特征

工作面超前支承壓力實(shí)測(cè)采用鉆孔應(yīng)力計(jì)，將5臺(tái)鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝在S204工作面上順槽距工作面煤壁90 m煤體下幫處。安裝深度分別為2 m、4 m、6 m、8 m、10 m。主要區(qū)別是深入煤體的范圍不同，其目的是測(cè)量不同深度范圍工作面煤體超前支承壓力的變化情況。所測(cè)數(shù)值均為相對(duì)應(yīng)力變化值。

當(dāng)工作面推進(jìn)到應(yīng)力計(jì)安裝位置時(shí)，5臺(tái)鉆孔應(yīng)力計(jì)均獲得了數(shù)據(jù)，可得出工作面超前支承壓力與測(cè)點(diǎn)到工作面煤壁距離之間的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖3)。

由圖3可知，6 m和10 m的鉆孔應(yīng)力計(jì)由于安裝或其它原因數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢(shì)不符合實(shí)際，可認(rèn)為數(shù)據(jù)失效。

由2 m、4 m、8 m深的鉆孔應(yīng)力計(jì)可知，隨著工作面的推進(jìn)，鉆孔開(kāi)始變形收縮，數(shù)據(jù)呈緩慢增加的趨勢(shì)。

圖3 工作面超前支承壓力分布圖

對(duì)于2 m深的鉆孔應(yīng)力計(jì)，工作面超前支承壓力峰值為4.05 MPa，距離工作面煤壁10.2 m 超前支承壓力影響范圍大約40 m，顯著影響范圍有26 m左右。應(yīng)力集中系數(shù)2.01。

對(duì)于4 m深的鉆孔應(yīng)力計(jì)，工作面超前支承壓力峰值為3.87 MPa，超前支承壓力峰值距離工作面煤壁7.6 m，超前支承壓力影響范圍大約35 m，顯著影響范圍有20 m左右，應(yīng)力集中系數(shù)1.94。

對(duì)于8 m深的鉆孔應(yīng)力計(jì)，工作面超前支承壓力峰值為3.24 MPa，距離工作面煤壁12 m 超前支承壓力影響范圍大約35 m，顯著影響范圍有20 m左右。應(yīng)力集中系數(shù)1.78。3個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)具體相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 不同深度測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力特征值

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，工作面超前支承壓力峰值點(diǎn)離工作面大約10 m左右，影響范圍大約37 m左右，應(yīng)力集中系數(shù)平均1.91。由工作面超前支承壓力分布情況來(lái)看，盡管工作面可采煤層煤質(zhì)較軟，但是由于煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜且頂煤中含有一定厚度的硬煤夾層，相當(dāng)于頂煤中存在著強(qiáng)度較大的夾矸層，從而顯現(xiàn)出較硬煤層的支承壓力分布特征，即支承壓力的分布范圍和峰值點(diǎn)距煤壁的距離并不大。

3 結(jié) 論

1) 含硬煤夾層厚煤層綜放工作面平均周期來(lái)壓步距為16.1 m，比不含硬煤段簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)厚煤層綜放開(kāi)采的平均周期來(lái)壓步距大，平均動(dòng)壓系數(shù)為1.40，略高于全國(guó)放頂煤工作面的平均動(dòng)壓系數(shù)(1.37)，來(lái)壓較明顯。

2) 工作面支架初撐力偏低，支架利用率偏低，因此，應(yīng)該加強(qiáng)工作面現(xiàn)場(chǎng)管理，提高支架的初撐力，充分發(fā)揮支架的工作效率。

3) 工作面兩端支架載荷小于中部支架載荷，上端支架載荷小于下端支架載荷，支架性能完全能夠滿足支護(hù)強(qiáng)度的要求。

4) 含硬煤夾層厚煤層綜放開(kāi)采時(shí)，由于頂煤中含有一定厚度的硬煤夾層，相當(dāng)于頂煤中存在著強(qiáng)度較大的夾矸層，超前支承壓力顯現(xiàn)出較硬煤層的支承壓力分布特征，即支承壓力的分布范圍和峰值點(diǎn)距煤壁的距離并不大。

[1] 耿獻(xiàn)文. 礦山壓力測(cè)控技術(shù)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 2002：102-103.

[2] 錢鳴高,石平五. 礦山壓力及巖層控制[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 2003：69-71.

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[4] 張連勇．超長(zhǎng)綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002(3)：114-117.