梁向輝

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)金辛達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

綜采工作面支架工作阻力的變化正是由于頂板巖層變形移動引起的[1]，在工程實(shí)際應(yīng)用中，一般通過現(xiàn)場實(shí)測支架工作阻力，研究支架平均工作阻力變化與工作面相應(yīng)回采位置之間的相關(guān)性，分析總結(jié)工作面頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，用以推斷工作面上覆巖層活動規(guī)律。統(tǒng)計(jì)分析支架實(shí)測工作阻力值時，正確的選擇來壓判斷依據(jù)，是決定分析結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。尤其是在采用放頂煤開采工藝的工作面，由于支架上方頂煤的存在，支架與頂板相互作用機(jī)理與其他采煤工藝存在一定的差異，所以合理選擇來壓判斷依據(jù)顯得更為重要。

1 兩種來壓判據(jù)的適用性

1.1 時間加權(quán)平均工作阻力

通過支架工作阻力分析工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律時，一般選用來壓判據(jù)是以支架時間加權(quán)平均工作阻力，加上其均方差σ，即以作為采面頂板來壓的臨界值[2]。加權(quán)平均值在實(shí)際統(tǒng)計(jì)分析中相對比較簡單，尤洛卡等礦壓監(jiān)測分析軟件多采用此算法，但是對于不同條件、不同采煤工藝的工作面存在一定的局限性。礦壓監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的支架實(shí)際最大工作阻力，與支架初撐力以及移架作業(yè)循環(huán)持續(xù)時間有關(guān)。支架初撐力越大，移架循環(huán)持續(xù)的時間越長，實(shí)測支架最大工作阻力就越大，反之，越小。支架初撐力的大小，除受作業(yè)人員移架質(zhì)量影響外，很大程度上與支架上方直接接觸的頂板完整程度有關(guān)。綜采放頂煤工作面由于支架上方頂煤放出的影響，頂板往往不完整，支架初撐力普遍比較低，實(shí)測的支架工作阻力普遍存在差異較大的現(xiàn)象，對工作面來壓規(guī)律的統(tǒng)計(jì)分析也會有較大影響。

綜采放頂煤開采過程中，支架的支撐力不是直接作用于煤層直接頂，而是通過支架上方頂煤，間接地對頂板進(jìn)行控制[3]。后溜放煤過程中，支架掩護(hù)梁上方頂煤放出的同時，在礦壓以及支架反復(fù)支撐頂煤的共同作用下，控頂區(qū)上方的部分頂煤也會提前冒落，造成支架后立柱處頂梁不能有效接觸頂板，從而造成支架整體初撐力低，實(shí)測支架工作阻力也會相應(yīng)較低；再者，割煤、移架、放煤、檢修等不同作業(yè)時段，移架循環(huán)的持續(xù)時間有較大差別，所以不同時段支架阻力平均值也會受采煤工藝影響。所以，若僅僅以作為來壓判據(jù)，可能會對工作面是否來壓造成誤判。

1.2 初增阻速度

根據(jù)移架循環(huán)內(nèi)支架工作阻力的變化特點(diǎn)，其增阻過程包括三個階段[4]（如圖1）：①t1階段：移架結(jié)束后，支架工作阻力最低，頂板下沉，支架支護(hù)阻力迅速升高，對頂板起到有效支撐，此階段支架增阻速率較大，稱為急增阻階段，一般持續(xù)時間在30 min左右；②t2階段：經(jīng)過支架急增阻過程后，支架工作阻力已基本達(dá)到支撐頂板下沉的能力，頂板下沉緩慢，礦壓變化趨于平穩(wěn)，支架增阻速率較小，稱為緩增阻階段。此階段一直持續(xù)至下一移架作業(yè)循環(huán)前，持續(xù)時間越長，支架最大工作阻力越大；③t3階段：在下一作業(yè)循環(huán)移架前，受相鄰1～2部支架降架的影響，頂板壓力會在一定程度上向其他支架轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致支架工作阻力迅速升高，增阻速率較大，但變化幅度一般比較小，持續(xù)時間不長。

圖1 支架增阻過程實(shí)測曲線

支架工作阻力是工作面頂板下沉的反作用力，兩者存在正相關(guān)關(guān)系。所以，通過統(tǒng)計(jì)分析支架的增阻速度，同時，結(jié)合支架最大工作阻力，可以推斷工作面上覆巖層活動的劇烈程度，作為分析判斷工作面來壓情況依據(jù)。

通過支架工作阻力變化的三個時段機(jī)理分析可以看出，t1階段是工作面上覆巖層下沉或斷塊回轉(zhuǎn)活動表現(xiàn)最為明顯的階段，所以支架急增阻階段的支架增阻速度，即支架的初增阻速度，是衡量上覆巖層活動劇烈程度的較好參數(shù)。根據(jù)一般工作面作業(yè)循環(huán)時間，t1階段一般不超過一個小時，所以，可選擇移架結(jié)束后一個小時內(nèi)支架的工作阻力變化量計(jì)算支架初增阻速度。即支架初增阻速度為：

式中：

Pv-支架的初增阻速度，kN/h；

P1-移架后1 h時支架工作阻力，kN；P0-支架的初撐力，kN。

2 兩種來壓判據(jù)的實(shí)測統(tǒng)計(jì)比較

2.1 實(shí)測統(tǒng)計(jì)結(jié)果對比

金辛達(dá)11101綜放工作面平均埋深200 m，工作面走向長度940 m，切眼長度150 m，賦存條件穩(wěn)定，煤厚平均6 m。煤層頂板為K2灰?guī)r，平均厚度10.24 m，致密，堅(jiān)硬，局部有裂隙；底板為泥巖粉砂巖互層，平均厚度3.1 m。

工作面采用走向長壁布置，綜采放頂煤采煤工藝?；夭善陂g，利用尤洛卡系列KJ653煤礦無線頂板動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對工作面支架工作阻力進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測。工作面共計(jì)101部支架，每8架安裝一臺無線礦壓監(jiān)測壓力表，對13部支架進(jìn)行監(jiān)測。本文對工作面初采期間支架工作阻力監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)內(nèi)容包括支架的初撐力、時間加權(quán)平均工作阻力、循環(huán)末阻力、初增阻速度。

圖2 支架來壓統(tǒng)計(jì)曲線

圖2所示的統(tǒng)計(jì)曲線，是根據(jù)工作面中部支架工作阻力實(shí)測值，分別以傳統(tǒng)的時間加權(quán)平均工作阻力判斷依據(jù)和支架初增阻速度判斷依據(jù)，統(tǒng)計(jì)繪制的工作面礦壓顯現(xiàn)曲線。從曲線可以看出，工作面推進(jìn)至26m左右時發(fā)生初次來壓，推進(jìn)至45m左右時發(fā)生第一次周期來壓。前兩次來壓時，利用上述兩種來壓判據(jù)，分析判斷結(jié)果一致。在工作面回采至60～100m期間，根據(jù)時間加權(quán)平均工作阻力統(tǒng)計(jì)曲線分析判斷，工作面未發(fā)生周期來壓；推進(jìn)至75m、88m位置時，有增大的趨勢，但最大阻力值沒有達(dá)到來壓的臨界值。根據(jù)支架初增阻速度統(tǒng)計(jì)曲線顯示，工作面推進(jìn)至75 m、88 m位置時，支架升架后，工作阻力迅速升高，增阻速度明顯比其他時段大，超過增阻速度來壓臨界值，說明此時工作面上覆巖層下沉活動明顯，工作面發(fā)生周期來壓。

2.2 原因分析

時間加權(quán)平均工作阻力是工作面整個作業(yè)循環(huán)過程中，支架在特定時間段內(nèi)工作阻力的真實(shí)反映。支架工作阻力往往會受到工作面頂?shù)装鍡l件、支架工移架操作不規(guī)范等因素的影響。尤其是在綜采放頂煤工作面中，頻繁移架過程中，支架上方頂煤遭到破壞，放煤時，支架主頂梁上方頂煤容易提前被放出，容易導(dǎo)致支架主頂梁后半部分不能有效支護(hù)頂板，支架初撐力普遍較低，所以在工作面來壓顯現(xiàn)程度不明顯的情況下，支架實(shí)際工作阻力會相應(yīng)較低，在一定程度上會掩蓋了工作面支架來壓特征，造成對工作面周期來壓的誤判，但是從支架的最大工作阻力來看，工作面實(shí)際上也發(fā)生了來壓現(xiàn)象。

圖3 支架實(shí)測工作阻力曲線

圖3為11101綜放面在回采至65～100 m期間支架的初撐力及其最大工作阻力統(tǒng)計(jì)曲線。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，在此回采區(qū)間，現(xiàn)場支架實(shí)測的初撐力普遍偏低，監(jiān)測值均在2000～3000 kN左右，均達(dá)不到支架額定工作阻力（7200 kN）的80%，從而導(dǎo)致了支架時間加權(quán)平均工作阻力統(tǒng)計(jì)結(jié)果值較低。從支架實(shí)測的循環(huán)末阻力統(tǒng)計(jì)曲線可以看出，采面回采至75m、88m前后時，支架實(shí)測循環(huán)末阻力分別為7235kN和6875kN，達(dá)到了支架的額定工作阻力，并且明顯大于時間加權(quán)平均阻力的來壓判據(jù)臨界值4553 kN，可以判斷，工作面回采至此位置時，發(fā)生了周期來壓現(xiàn)象。但是根據(jù)支架時間加權(quán)平均工作阻力統(tǒng)計(jì)結(jié)果，工作面回采至此位置時，其相應(yīng)統(tǒng)計(jì)值分別為4300 kN和3438 kN，都低于工作面來壓判斷的臨界值，造成了工作面此時沒有發(fā)生周期來壓的錯誤判斷結(jié)果。然而，根據(jù)支架初增阻速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析判斷，采面回采至75m、88m前后，移架完成后，支架實(shí)測工作阻力迅速升高，支架的初增阻速度跟其他時段對比，明顯較大，可推斷，工作面回采至此處時，上覆巖層運(yùn)動較為劇烈，采面發(fā)生了周期性來壓。

3 結(jié)論

通過對金辛達(dá)煤業(yè)11101綜放面現(xiàn)場觀測統(tǒng)計(jì)，分別選擇支架時間加權(quán)平均工作阻力和支架初增阻速度作為周期來壓判據(jù)進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明：

（1）綜放開采工作面，由于受頂煤冒落、放煤的影響，支架的初撐力普遍達(dá)不到規(guī)定要求，常用的平均工作阻力來壓判據(jù)存在一定的局限性，在工作面來壓影響范圍較小或礦壓顯現(xiàn)不明顯時，會掩蓋掉支架的來壓特征，造成采面周期來壓步距統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果不準(zhǔn)確。

（2）支架初增阻速度作為工作面來壓判據(jù)，可以在很大程度上降低支架初撐力較低的影響，能夠更真實(shí)地反映出工作面頂板活動的劇烈程度，從而對綜放工作面來壓與否能夠進(jìn)行更準(zhǔn)確的判斷。