李增祿

（霍州煤電集團(tuán)汾源煤業(yè)公司，山西 靜樂 035100）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電集團(tuán)汾源煤業(yè)公司5-101工作面位于5號煤層一采區(qū)，工作面開采5號煤層，煤層平均厚度10.5 m，傾角為37°～40°，屬大傾角特厚煤層，頂板巖層為石灰?guī)r、泥巖；底板巖層為砂質(zhì)泥巖、泥巖。5-101工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開采方法，開采高度2.8 m，放煤高度7.7 m，采放比為1∶2.75，由于工作面為5號煤層一采區(qū)的首采工作面，且工作面煤層軟、頂板軟、底板軟，屬于三軟地質(zhì)條件，故在工作面回采期間需掌握礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，以為后續(xù)工作面回采作業(yè)提供指導(dǎo)與參考。

2 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

2.1 監(jiān)測方案

5-101工作面采用Z F8000/17/30D型放頂煤液壓支架，共計(jì)布置68臺液壓支架，現(xiàn)為有效監(jiān)測分析工作面回采期間礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，在液壓支架上布置11個(gè)測點(diǎn)；工作面液壓支架工作阻力監(jiān)測劃分為3個(gè)區(qū)域，工作面下部監(jiān)測6、12、18、24號液壓支架，工作面中部監(jiān)測30、36號、42、48號液壓支架，工作面上部監(jiān)測54、60、66號液壓支架，每個(gè)測點(diǎn)安裝1臺支架壓力記錄儀，記錄工作面推進(jìn)過程中支架左右柱的壓力變化情況。

為監(jiān)測工作面回采期間超前支承壓力的分布情況，巷道礦壓監(jiān)測工作在兩回采順槽內(nèi)安裝鉆孔煤體應(yīng)力計(jì)，煤體應(yīng)力計(jì)每組6臺，共2組，安裝在切眼前方50 m的工作面煤幫側(cè)[1-2]，安裝間距為5 m，安裝水平深度依次為3、5、7、9、11、13 m。煤體應(yīng)力監(jiān)測布置方式如圖1所示。

圖1 工作面煤體應(yīng)力監(jiān)測布置方式示意圖

2.2 監(jiān)測結(jié)果分析

2.2.1 液壓支架監(jiān)測結(jié)果分析

5-101綜放工作面于2019年4月開始試采，截止到2020年6月17日末采結(jié)束，工作面共推進(jìn)464 m。本次分析自2020年1月1日至工作面5月26日支架壓力數(shù)據(jù)，由此得出5-101工作面正?；夭傻V壓顯現(xiàn)規(guī)律。

周期來壓分析以支架的平均循環(huán)末阻力與其均方差之和作為判斷頂板周期來壓的主要指標(biāo)。數(shù)據(jù)計(jì)算的公式為[3-4]：

式中：σP為循環(huán)末阻力平均值的均方差；n為實(shí)測循環(huán)數(shù)；Pti為各循環(huán)的實(shí)測循環(huán)末阻力；Pt2循環(huán)末阻力的平均值。

頂板來壓的判據(jù)公式如下：

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及上述頂板來壓判據(jù)公式，得出各支架周期來壓判據(jù)見表1。

表1 各支架周期來壓判據(jù)表

根據(jù)液壓支架工作阻力的監(jiān)測結(jié)果可知，5-101工作面回采期間工作面上部、中部、下部的液壓支架工作阻力曲線基本呈現(xiàn)為相同的變化趨勢，現(xiàn)選取12、42、60號支架工作阻力曲線進(jìn)行分析，支架工作阻力曲線如圖2所示。

圖2 支架工作阻力曲線圖

根據(jù)液壓支架工作距阻力的監(jiān)測結(jié)果可知，2020年1月-5月26日，工作面頂板共計(jì)有17次周期來壓，工作面兩端來壓次數(shù)較中部少，來壓次數(shù)最多的部位為12、18號附近，即工作面變坡點(diǎn)附近，此2處來壓強(qiáng)度最大，60、66號架附近來壓強(qiáng)度最?。粊韷翰骄嗥骄鶠?2.4 m，由于6、60、66號架周期來壓規(guī)律性不強(qiáng)，剔除后平均周期來壓步距為12 m。

由以上分析可看出，工作面周期來壓有四點(diǎn)規(guī)律：①工作面不同區(qū)段來壓頻次、強(qiáng)度不均衡，中部來壓強(qiáng)度、頻次大于工作面兩端；②從時(shí)間上看12、18號來壓發(fā)生較其他支架早，可作為工作面來壓判斷的基準(zhǔn)；③目前數(shù)據(jù)分析整個(gè)工作面來壓步距為12.4 m，以目前的推進(jìn)速度1.8 m/d，平均7 d發(fā)生1次周期來壓，來壓在整個(gè)工作面持續(xù)時(shí)間約2 d。

2.2.2 煤體應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)煤體應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果能夠得出回風(fēng)巷3、5、7、9 m深度煤體應(yīng)力曲線如圖3所示。

圖3 工作面超前區(qū)域煤體應(yīng)力曲線圖

根據(jù)各測站煤體應(yīng)力曲線，5-101回風(fēng)巷3 m深煤體應(yīng)力在超前工作面30 m處開始增大，直至工作面通過測點(diǎn)，應(yīng)力計(jì)初始值5.5 MPa，隨工作面的推進(jìn)增加至8.3 MPa；5 m深煤體應(yīng)力在超前工作面32 m處開始增大，直至工作面通過測點(diǎn)，應(yīng)力計(jì)初始值4.6 MPa，隨著工作面的推進(jìn)增加至9.2 MPa；7 m深煤體應(yīng)力在超前工作面29 m處開始增大，直至工作面通過測點(diǎn)，應(yīng)力計(jì)初始值4.9 MPa，隨著工作面的推進(jìn)增加至9.5 MPa；9 m深煤體應(yīng)力在超前工作面28 m處開始增大，直至工作面通過測點(diǎn)，應(yīng)力計(jì)初始值5 MPa，隨工作面的推進(jìn)增加至9.8 MPa。

綜合上述煤體不同深度應(yīng)力曲線分析結(jié)果，確定工作面超期應(yīng)力顯著影響區(qū)為工作面前0～30 m左右，但由于5號煤層較為松軟，工作面應(yīng)力超前影響區(qū)范圍不大，應(yīng)力提升速率較低且應(yīng)力升高不多。

3 支架適應(yīng)性分析

分析液壓支架的適應(yīng)性主要通過支架工作阻力、初撐力及末阻力等反應(yīng)，現(xiàn)分別分析支架工作阻力、初撐力及末阻力的運(yùn)行情況。

3.1 支架工作阻力分析

支架合理的頻率分布峰值位于50%～80%額定工作阻力的區(qū)間內(nèi)[5-6]。監(jiān)測液壓架之間工作阻力頻率分布結(jié)果見表2，工作阻力分布直方圖見圖4。

分析表2和圖4可知，支架整體壓力偏低，正常推采期間整架壓力基本不超過3 000k N，僅在工作面來壓期間整架壓力能夠超4 000 k N；支架長期處于低阻力運(yùn)行狀態(tài)，總體處于0～500 k N的時(shí)段占比高達(dá)20%，即每臺支架近20%的時(shí)間基本處于不受壓狀態(tài)；支架處于低阻力運(yùn)行狀態(tài)的原因在于工作面頂煤松軟，放煤期間易出現(xiàn)頂煤在支架后柱垮落，導(dǎo)致支架后柱空頂，使整個(gè)支架受壓狀態(tài)較差。

表2 支架工作阻力頻率統(tǒng)計(jì)表（單位：%）

圖4 支架工作阻力分布直方圖

3.2 支架初撐力及循環(huán)末阻力

通過對支架工作阻力曲線分析，得出各支架初撐力及循環(huán)末阻力，各支架工作阻力特征見表3。

表3 各支架工作阻力特征表

Z F8000/17/30D支架額定初撐力為6 400 k N，額定工作阻力為8 000 k N，分析表3可知，5-101工作面各支架初撐力普遍不足，主要原因有2個(gè)方面：①頂煤松軟，升架時(shí)初撐力升高時(shí)，頂煤就會發(fā)生破碎，使初撐力提升困難；②工作面普遍存在支架后立柱空頂?shù)默F(xiàn)象，整架初撐力提升困難。

3.3 液壓支架管理建議

基于上述分析得出的支架工作阻力偏低、初撐力不足的問題，需加強(qiáng)液壓支架的管理作業(yè)。針對支架工作阻力偏低的問題，由于5-101工作面傾角大，放煤順序采用下行放煤作業(yè)，可確保工作面下段支架處于受力狀態(tài)抵抗上段支架的下滑和傾斜；同時(shí)放煤量不能過大，放煤時(shí)可根據(jù)支架前柱壓力表數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，壓力數(shù)據(jù)下降加速時(shí)即可停止放煤，防止支架前柱空頂；放煤后上段支架可先進(jìn)行推進(jìn)，使支架處于低阻力運(yùn)行的時(shí)間盡量減少。

針對液壓支架初撐力低的問題，解決途徑為控制頂煤垮落的程度和范圍，確保支架前柱上方頂煤不隨放煤作業(yè)而垮落，保證支架前柱受力。

4 結(jié)論

根據(jù)5-101工作面三軟、大傾角的地質(zhì)條件，通過對工作面回采期間液壓支架和煤體應(yīng)力的監(jiān)測，分析監(jiān)測結(jié)果得出基本頂周期來壓步距為12.4 m，超期應(yīng)力顯著影響區(qū)為工作面前0～30 m左右；根據(jù)支架適應(yīng)性分析結(jié)果可知，支架工作時(shí)存在初撐力不足和工作阻力偏低的問題，提出了支架管理時(shí)的建議，為后續(xù)工作面回采提供基礎(chǔ)支撐。