劉如鵬，張展華，鄭東紅

(陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司，陜西 延安 727306)

0 引言

近年來，隨著智能化時(shí)代的到來，煤礦的智能化熱潮也隨之而來[1 -3]。大采高、強(qiáng)采動(dòng)、無人化、智能化在席卷煤礦領(lǐng)域，因某些工作面所處地質(zhì)環(huán)境影響，采動(dòng)時(shí)需要避開斷層以及構(gòu)造地帶，因此會(huì)形成如孤島以及類孤島的工作面，且隨著強(qiáng)采動(dòng)孤島以及類孤島工作面部分區(qū)域存在礦壓顯現(xiàn)比較強(qiáng)烈的區(qū)域[4 -6]。此外，通過分析工作面液壓支架提供的技術(shù)參數(shù)來評(píng)價(jià)支架適應(yīng)性[7 -9]，提高智能化集控系統(tǒng)的精準(zhǔn)度[10 -13]。因此，研究分析工作面強(qiáng)礦壓區(qū)域顯現(xiàn)規(guī)律能夠?yàn)榛夭晒ぷ髅姘踩?、高效開采提供有利指導(dǎo)[13 -17]。

1 工作面概況

黃陵二號(hào)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(zhǔn)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(zhǎng)度4 087 m(運(yùn)輸順槽)/4 293 m(運(yùn)輸順槽)，工作面長(zhǎng)度300.5 m，留大巷煤柱181 m/387 m，可采長(zhǎng)度為3 900 m，煤層平均厚度為3.0 m，煤容重1.37 t/m3，地質(zhì)儲(chǔ)量517.5萬t，可采儲(chǔ)量457.6萬t，回采率95%。工作面開采煤層為2號(hào)煤層，屬于侏羅系中統(tǒng)延安組，2號(hào)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(jié)核，屬半暗型煤，內(nèi)生裂隙發(fā)育。工作面煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 工作面強(qiáng)礦壓區(qū)域顯現(xiàn)機(jī)理分析

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

工作面支架壓力監(jiān)測(cè)使用每臺(tái)支架安裝的機(jī)械壓力表和自帶壓力傳感器及配套監(jiān)控設(shè)施進(jìn)行支架壓力監(jiān)測(cè)，對(duì)1#、10#、20#、…、170#支架壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、分析。通過采用支架自帶壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)控平臺(tái)采用配套的監(jiān)控軟件，可以從監(jiān)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(shù)來判斷每架支架的工作阻力情況。

2.2 強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)機(jī)理分析

通過分析工作面液壓支架原始?jí)毫Φ戎稻€圖以及周期來壓步距確定強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)區(qū)域來進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)期間209工作面運(yùn)輸巷累計(jì)推進(jìn)310.6 m，回風(fēng)巷累計(jì)推進(jìn)309.5 m，期間每天的平均推進(jìn)度如圖1所示。推進(jìn)速度為3.2～13.1 m/d，平均推進(jìn)速度為10.3 m/d。209工作面監(jiān)測(cè)期間，工作面上部統(tǒng)計(jì)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(tǒng)計(jì)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(duì)于正?；夭善陂g周期來壓步距較大，現(xiàn)場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)明顯。監(jiān)測(cè)期間209工作面支架原始?jí)毫?shù)據(jù)云圖，如圖2所示。強(qiáng)礦壓區(qū)回采期間，紅黃色區(qū)域?yàn)楦邏褐螀^(qū)，可以看出，檢測(cè)階段強(qiáng)礦壓區(qū)處于工作面中間支架，兩側(cè)支架受壓較少，主要原因是兩側(cè)為煤柱支撐區(qū)，煤柱成了高應(yīng)力支撐點(diǎn)。如圖3所示，監(jiān)測(cè)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(dòng)載系數(shù)均呈現(xiàn)出單峰曲線，工作面平均動(dòng)載系數(shù)均值為1.10，支架的整體適應(yīng)性較好。

圖1 工作面每日推進(jìn)度統(tǒng)計(jì)Fig.1 Daily push progress statistics of working face

3 工作面支架適應(yīng)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(shù)。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(duì)頂板的主動(dòng)支撐力。工作阻力是支架維持頂板平衡所需的被動(dòng)力。支架的初撐力直接影響到支架的支護(hù)效果，初撐力的大小對(duì)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(yīng)該盡可能大一些，但是由于液壓管路損失和機(jī)械強(qiáng)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(dá)到額定初撐力的80%以上屬于合理的范圍，209工作面達(dá)標(biāo)初撐力為25.2 MPa，即6 333.45 kN。或者支架的初撐力平均值與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(qū)間為23.88～27.86 MPa，則可認(rèn)為支架初撐力滿足要求。初撐力對(duì)本循環(huán)或后續(xù)循環(huán)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(duì)平衡，本循環(huán)的支架工作阻力將逐漸增加；隨著頂板的下沉，很容易導(dǎo)致頂板發(fā)生離層現(xiàn)象，即頂板的整體結(jié)構(gòu)易發(fā)生破壞，致使后續(xù)循環(huán)的支架工作阻力也隨之增加，這種惡性循環(huán)不僅不利于支架性能的充分發(fā)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(dòng)載系數(shù)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(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析了初撐力的分布區(qū)間以及各支架前后柱初撐力的平均值，見表2。監(jiān)測(cè)期間209工作面支架初撐力達(dá)標(biāo)率平均為69.92%，初撐力達(dá)標(biāo)率雖然低于80%，但是支架的實(shí)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(tài)較好。

表2 工作面支架初撐力統(tǒng)計(jì)

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(qū)間的百分比來確定，具體方法是劃分N個(gè)區(qū)間(本分析N=10)，分別統(tǒng)計(jì)支架工作阻力在各區(qū)間所占的百分比。對(duì)于理想的支架工作阻力頻率分布圖應(yīng)是正態(tài)分布，處于低阻力和高阻力所占整個(gè)區(qū)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(duì)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(xiàn)支架被壓死現(xiàn)象；若高阻力所占比例較大，說明支架長(zhǎng)期在超負(fù)荷狀態(tài)工作，安全閥頻繁開啟，影響支架的使用壽命。

結(jié)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(nèi)，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(shí)顯現(xiàn)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(tài)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(dá)20%，支架高壓力區(qū)間占比較高。工作阻力頻率分布不合理，說明支架長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷狀態(tài)，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(qū)間內(nèi)的工作阻力分布情況，分別統(tǒng)計(jì)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(qū)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(cè)最大甚至達(dá)到了14.74%，超過了支架的額定工作阻力，支架富裕系數(shù)較小。

圖4 支架高壓力區(qū)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(hù)元件，當(dāng)立柱負(fù)載超過額定工作阻力時(shí)，安全閥開啟從而降低立柱內(nèi)的液體壓力，使其不超過額定值，保護(hù)立柱及支架其他結(jié)構(gòu)件。安全閥開啟率能夠較好地反映出頂板來壓強(qiáng)烈程度以及支架適應(yīng)性能。根據(jù)監(jiān)測(cè)期間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，工作面回風(fēng)巷道推進(jìn)309.5 m，運(yùn)輸巷道推進(jìn)310.6 m，平均推進(jìn)310.1 m，共完成344個(gè)割煤循環(huán)，各支架的安全閥開啟次數(shù)與安全閥開啟率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)監(jiān)測(cè)到的礦壓數(shù)據(jù)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(dá)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(qiáng)礦壓區(qū)域時(shí)工作面支架安全閥開啟率偏高，支架富裕系數(shù)低。

圖5 209工作面強(qiáng)礦壓區(qū)域安全閥開啟統(tǒng)計(jì)Fig.5 Opening statistics of safety valve in strong mine pressure area of 209 working face

4 結(jié)論

(1)黃陵二號(hào)煤礦209工作面屬深埋厚硬砂巖頂板中厚煤層開采條件，強(qiáng)礦壓區(qū)域周期來壓步距平均27 m，動(dòng)載系數(shù)平均1.10～1.21，具有來壓步距大、來壓持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，工作面礦壓顯現(xiàn)總體強(qiáng)烈。

(2)監(jiān)測(cè)期間工作面支架初撐力達(dá)標(biāo)率平均為69.92%，實(shí)際平均初撐力為26.04 MPa，表明工作面支架初撐力整體狀態(tài)較好，可實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板的有效支護(hù)。

(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(bào)比例較高，工作阻力頻率分布不合理，支架長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷狀態(tài)，影響支架使用壽命。

(4)支架安全閥循環(huán)開啟率平均13.26%，工作面在強(qiáng)礦壓區(qū)域時(shí)安全閥開啟率偏高，支架富裕系數(shù)低。