畢學(xué)鋼

(山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán) 掌石溝煤業(yè)公司，山西 高平 048400)

1 工程概況

山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)掌石溝煤業(yè)現(xiàn)開(kāi)采15號(hào)煤層，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，厚度為3.96～4.1 m，平均4.03 m，含1～2層夾矸，傾角為0～6°。煤層直接頂為0.25 m厚的砂質(zhì)泥巖，老頂為7.9 m厚的K2灰?guī)r；直接底為4.3 m厚的含鋁質(zhì)泥巖，老底為4.55 m厚的砂質(zhì)泥巖。煤層整體形態(tài)為北高南低、西高東低的單斜構(gòu)造，局部有小褶曲，總體傾向南東20°，走向北東70°。15102工作面位于井田西部，是一采區(qū)的第二個(gè)工作面，工作面東部為實(shí)體煤，西部為15101采空區(qū)，南部與采區(qū)三條大巷相連，北部相距114 m為礦井邊界。根據(jù)巷道揭露的地質(zhì)資料，15102工作面周?chē)鸁o(wú)陷落柱和大斷層出現(xiàn)，但局部有小褶曲，煤層有較小起伏。工作面采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，選用ZZ8200/22/45型四柱支撐掩護(hù)式液壓支架76架，ZZG8800/22/45型過(guò)渡支架6架。

2 礦壓觀測(cè)及顯現(xiàn)規(guī)律研究

2.1 礦壓觀測(cè)目的及測(cè)站布置

為了掌握15102工作面回采過(guò)程中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律以及支架的適應(yīng)性，對(duì)液壓支架的工作阻力、工作面老頂初次來(lái)壓以及周期來(lái)壓步距進(jìn)行了觀測(cè)分析。本次觀測(cè)采用KJ504礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行，在工作面布置三個(gè)測(cè)站，其中1測(cè)站分別在8號(hào)、11號(hào)、14號(hào)支架安裝壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量，代表工作面上部；2測(cè)站分別在35號(hào)、38號(hào)、41號(hào)支架安裝壓力傳感器，代表工作面中部位置；3測(cè)站分別在65號(hào)、68號(hào)、71號(hào)支架安裝壓力傳感器，代表工作面下部。每班讀取記錄一次數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在KJ504礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，以備后期分析。礦壓觀測(cè)站布置見(jiàn)圖1。

圖1 工作面礦壓觀測(cè)站布置

2.2 支架工作阻力觀測(cè)結(jié)果分析

本文對(duì)工作面推進(jìn)115 m后3個(gè)測(cè)站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸納、整理、分析，繪制出了工作面不同推進(jìn)距離時(shí)各測(cè)站液壓支架的工作阻力，如圖2-圖4。

圖2 1測(cè)站工作阻力隨工作面推進(jìn)距離變化

由圖2可得，在回采初期即30.8～46.6 m支架工作阻力相對(duì)較低，最大值為32.3 MPa，而伴隨著老頂初次來(lái)壓，在工作面回采至47.6～55.6 m之間，支架工作阻力快速增大，最大達(dá)到了44.7 MPa，隨后工作面回采到中部階段即55.6～87.6 m之間，支架工作阻力下降，期間隨著周期來(lái)壓工作阻力有所起伏，但起伏不大，在工作面回采至88.6～112 m之間時(shí)，工作阻力起伏相對(duì)較大，期間最大達(dá)到了42.4 MPa；可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)回采過(guò)程中1號(hào)測(cè)站支架工作阻力在回采階段的前段和后段波動(dòng)較大，而中部階段較為平穩(wěn)的原因是當(dāng)回采到中部時(shí)，中部支架起主要支撐作用，而前部支架相對(duì)受力較小。

圖3 2測(cè)站工作阻力隨工作面推進(jìn)距離變化

由圖3可知，整個(gè)曲線前后柱工作阻力相差較為明顯，其中前柱工作阻力相對(duì)較大，后柱工作阻力較低，平均工作阻力基本上都小于額定工作阻力。在推進(jìn)距離為50.6～55.6 m時(shí)，后柱的工作阻力達(dá)到峰值為47.3 MPa，發(fā)現(xiàn)大于額定阻力，這是因?yàn)槔享敵醮蝸?lái)壓導(dǎo)致局部支架工作阻力增大；在推進(jìn)距離為30～40 m時(shí)，前后柱工作阻力都小于35 MPa；推進(jìn)距離在67.6～112 m之間，前后柱工作阻力之間差距明顯變大，在104 m左右時(shí)，最大相差40 MPa，可以看出此時(shí)前柱發(fā)揮主要支撐作用，在推進(jìn)距離為90～112 m之間時(shí)，支架工作阻力有所降低。綜上所述，在工作面中部液壓支架前后柱工作阻力在工作面回采過(guò)程中相差較大，表明隨著周期來(lái)壓，工作阻力波動(dòng)較大，運(yùn)行不平穩(wěn)，而且整個(gè)回采過(guò)程中中部支架工作阻力都相對(duì)較大，表明中部礦壓較為劇烈。

圖4 3測(cè)站工作阻力隨工作面推進(jìn)距離變化

由圖4可知，在工作面推進(jìn)30.8～48.6 m之間，支架工作阻力相對(duì)平穩(wěn)，起伏不大；在回采至49.6～88.6 m之間，曲線起伏明顯，在此期間老頂初次來(lái)壓以及周期來(lái)壓導(dǎo)致支架工作阻力變動(dòng)較大，其中最大工作阻力接近40.7 MPa；在回采至89.6～112 m時(shí)，期間曲線又發(fā)生了兩次較大的起伏，最大工作阻力達(dá)到了38.3 MPa，這是因?yàn)槠陂g發(fā)生了兩次周期來(lái)壓。通過(guò)對(duì)3測(cè)站液壓支架工作阻力的觀測(cè)可得，伴隨著回采過(guò)程的進(jìn)行，支架工作阻力因?yàn)轫敯鍋?lái)壓發(fā)生了明顯的起伏，另外從曲線峰值點(diǎn)可以看出最大值為40.7 MPa，與中部支架工作阻力相比較低。

綜上所述，1測(cè)站最大平均工作阻力達(dá)到峰值為42.4 MPa，2測(cè)站最大平均工作阻力達(dá)到峰值為43.3 MPa，3測(cè)站最大平均工作阻力達(dá)到峰值為39.6 MPa，從三條曲線來(lái)看雖然有個(gè)別點(diǎn)的工作阻力超過(guò)了額定阻力，但是其整體工作阻力依然在額定工作阻力之下，另外從3個(gè)測(cè)站所繪曲線的變化情況來(lái)看，礦壓總體規(guī)律為工作面中部礦壓較兩端強(qiáng)烈。

3 老頂周期來(lái)壓觀測(cè)及支架適應(yīng)性分析[1-2]

3.1 老頂周期來(lái)壓判據(jù)

為了了解回采過(guò)程中的上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并分析老頂?shù)膭?dòng)態(tài)演變，采用礦壓觀測(cè)中經(jīng)常使用的數(shù)理統(tǒng)計(jì)對(duì)老頂周期來(lái)壓步距進(jìn)行判據(jù)，具體可由下列公式進(jìn)行判據(jù)：

根據(jù)3個(gè)測(cè)站的觀測(cè)，利用公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理匯總，進(jìn)而得到如圖5所示的支架平均工作阻力和老頂來(lái)壓判據(jù)。

圖5 支架平均工作阻力和老頂來(lái)壓判據(jù)

由圖5可以看出，當(dāng)推進(jìn)到50.6 m時(shí)老頂初次來(lái)壓，隨著工作面的深入推進(jìn)，老頂來(lái)壓又呈現(xiàn)周期性的變化，推進(jìn)到61.4 m時(shí)發(fā)生第一次周期來(lái)壓，推進(jìn)到74.5 m時(shí)發(fā)生第二次周期來(lái)壓，推進(jìn)到85.7 m時(shí)發(fā)生第三次周期來(lái)壓，推進(jìn)到94.8 m時(shí)發(fā)生第四次周期來(lái)壓，推進(jìn)到104.7 m時(shí)發(fā)生最后一次周期來(lái)壓，從中可以看出最大周期來(lái)壓步距為13.1 m，最小周期來(lái)壓步距為9.1 m；總體顯現(xiàn)中間阻力大兩邊小，其中支架平均工作阻力在中部的增大也說(shuō)明了老頂對(duì)工作面的壓力增大，進(jìn)而導(dǎo)致支架承受力增大。

為了進(jìn)一步判斷老頂周期來(lái)壓強(qiáng)度，通常使用動(dòng)載系數(shù)來(lái)衡量老頂周期來(lái)壓的強(qiáng)度，為此用下列公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析可得到不同周期來(lái)壓的動(dòng)載系數(shù)。

式中：q為動(dòng)載系數(shù)；p老為老頂周期來(lái)壓期間所測(cè)得的平均工作阻力，即支架的平均荷載；p平為非周期來(lái)壓期間所測(cè)得的平均工作阻力。

根據(jù)觀測(cè)所得數(shù)據(jù)，對(duì)各個(gè)階段的動(dòng)載系數(shù)進(jìn)行計(jì)算整理得到表1工作面來(lái)壓特征。

表1 工作面來(lái)壓特征

由表2可以看出，動(dòng)載系數(shù)最小值為1.25，最大值為1.39，平均1.32左右，根據(jù)該礦以往經(jīng)驗(yàn)及工作面地質(zhì)條件，正常情況下該工作面動(dòng)載系數(shù)應(yīng)控制在1.02～1.28之間，1.32相對(duì)與正常工作面的動(dòng)載系數(shù)較大，表明支架初撐力設(shè)置相對(duì)過(guò)低。

3.2 支架適應(yīng)性分析

掌石溝煤業(yè)15102工作面選用的支架型號(hào)為ZZ8200/22/45型，支撐高度為2.2～4.5 m，額定工作阻力為41.7 MPa，初撐力為31.5 MPa，為了對(duì)支架的合理性進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)工作面回采過(guò)程中支架的初撐力和工作阻力的分布頻率進(jìn)行分析，得到了不同區(qū)間支架初撐力及工作阻力的分布如圖6、圖7所示。

圖6 工作面支架初撐力頻率分布直方

圖7 工作面支架工作阻力頻率分布直方

由圖6可以看出，支架初撐力大部分分布在5～25 MPa之間，占據(jù)了所測(cè)總數(shù)的78.3%，而初撐力在25～35 MPa之間的支架僅為總量的10.9%，30～35 MPa之間僅占所測(cè)總數(shù)的3.8%，平均初撐力僅為16 MPa，為額定初撐力的50.1%，可見(jiàn)支架初撐力偏低。由圖7可得，支架工作阻力在20～25 MPa的占所測(cè)總數(shù)的21%，25～30 MPa占據(jù)所測(cè)總數(shù)的23%，40～45 MPa區(qū)間支架數(shù)僅占所測(cè)總數(shù)的5.1%，工作阻力在0～40 MPa之間的支架占所測(cè)總數(shù)的94.9%，平均支架阻力為32.1 MPa，占額定工作阻力的76.1%，可以看出額定工作阻力還有一定的富裕。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)掌石溝煤業(yè)15102工作面回采過(guò)程中支架的初撐力以及工作阻力進(jìn)行觀測(cè)，確定了工作面老頂初次來(lái)壓步距為50.6 m，最大周期來(lái)壓步距為13.1 m，最小周期來(lái)壓步距為9.1 m；支架初撐力設(shè)置相對(duì)偏低，需要進(jìn)一步加大支架初撐力達(dá)到所需要求，并加強(qiáng)對(duì)頂板的管理。