大采高工作面礦壓顯現特征及支架適應性研究

呂生龍

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

1 工程概況

馬蘭礦18506工作面位于南五采區，工作面走向長度1302m，傾斜長度251m，主采8#煤，煤層厚度為3.8～4.8m，均厚4.43m，煤層直接頂為L1泥灰巖，均厚為2.32m，普式硬度為7.5，基本頂為粉砂巖，均厚2.33m，普式硬度5.3，直接底為粉砂質泥巖，均厚為0.97m，普式硬度4.5，老底為粉砂巖，均厚為3.60m，普式硬度為5.3。18506工作面采用一次采全高開采，設計采高3.8m，工作面切眼的總長度為250m，具體18506工作面位置示意圖如圖1所示。

圖1 18506工作面位置示意圖

2 工作面礦壓顯現特征

2.1 工作面液壓支架壓力分布規律

圖2 18506工作面支架平均壓力曲線

通過對18506工作面進行礦壓監測，來全面掌握工作面支架的受力情況，將工作面分為5個測區，1#～10#支架為第一測區，36#～46#架為第二測區，76#～86#支架為第三測區，115#～125#支架為第四測區，150#～160支架為第五測區。通過支架上壓力監測記錄儀器測得壓力數據，將所得數據繪制成壓力曲線如圖2所示，圖中前柱為工作面回采期間左前柱的壓力數據，后柱表示工作面回采期間右后柱的壓力數據。

分析圖1中支架平均壓力曲線能夠得出以下規律：

1）18506工作面支架的后柱受力普遍小于前柱受力，出現這種現象主要是受工作面上方煤體與直接頂的硬度和冒落性有關，根據18506工作面地質資料顯示，所采8#煤層較為酥軟，直接頂硬度較小，液壓支架的反復支承破損后，上方煤體與直接頂巖層會更加破碎，對傳遞上覆巖層的荷載不利。

2）在工作面正常回采期間，液壓支架的額定工作阻力36MPa，在正常使用時支架的平均壓力為15.8MPa，均小于額定阻力。

3）由曲線圖能夠看出工作面端尾支架的平均壓力為6MPa，端頭支架的平均壓力為9.4MPa，而工作面中部液壓支架的平均阻力為14.1MPa，故回采期間工作面兩端支架壓力普遍小于中部支架的壓力。

2.2 基本頂來壓步距及覆巖運動特征分析

根據馬蘭礦18506工作面的地質條件，同時考慮到煤層上覆巖層基本頂為單一的關鍵層，故能把關鍵層初次破斷前的結構簡化為固支梁模型進行分析[1]，并運用彈性力學的理論進行求解，其應力模型如圖3所示。

圖3 固支梁的力學模型

根據彈性力學理論，結合模型的邊界條件y=±h/2處，正應力σy=0，剪應力τxy=0，再根據梁的左右邊界條件能夠得知H=ql2/3h3-q/10h，K=0，將上述條件帶入固支梁應力分量的表達式中能夠得出如下表達式：

再根據對稱梁的（0，h/2）處的剪應力為0，橫向截面上的正應力為 σ1，在（0，h/2）處拉應力 σ1達到最大值，其值為：

由巖梁不發生跨落時的條件為：σ1max≤[σ]，并設巖梁發生垮落時的安全系數為n，則能夠得出巖梁的極限跨距為：

根據馬蘭礦18506工作面上覆關鍵層的物理力學參數，同時借鑒類似礦井的經驗[2-4]，取安全系數n=1.9，基本頂在承受上覆巖層組合梁條件下的荷載與基本頂自身荷載之和為0.56MPa，故能夠計算出基本頂的安全跨距為35.1m，同時根據經驗能夠得知，基本頂周期來壓與初次來壓步距的比值為1/4～1/3，現取為1/3能夠得出基本頂的周期來壓步距為

11 .7m。

為更全面的分析18506工作面回采過程中上覆巖層的運動特征，通過UDEC軟件建立18506綜采工作面連續推進的模型，并對工作面推進10m、20m、30m、40m時進行出圖分析。模擬結果如圖4所示。

圖4 工作面不同開采距離上覆巖層垮落情況

由圖4中能夠看出，回采工作面推進10m后，由于上覆巖層間整體上接觸性仍然保持完整，未達到巖層撓曲強度，故此時頂板仍未產生下沉現象，此時巖層保持完整狀態；在回采工作面推進20m時，直接頂出現彎曲下沉現象，局部區域裂隙逐漸擴展，有即將垮落的趨勢；在回采工作面推進30m時直接頂完全垮落，同時基本頂出現較小范圍的塑性區發育；當回采工作面推進40m時基本頂出現基本頂的初次垮落，同時在考慮到其他因素能夠得出模擬的基本頂的初次來壓步距約為35～40m之間，與理論分析結果想符合。

2.3 工作面礦壓監測數據

根據在工作面上部、中部、下部三個不同位置的共十架液壓支架進行監測，得出基本頂的初次來壓與周期來壓規律，如表1所示。分析表1可知基本頂的最小初次來壓步距為29.4m，最小為31.5m，平均為30.5m，初次來壓的動載系數為1.55，周期來壓的動載系數相對較大，分析18506綜采工作面礦壓數據知，從工作面的下部到上部，煤層上方老頂的初次來壓及周期來壓步距逐漸減小。

表1 工作面來壓規律

3 工作面液壓支架適應性分析

3.1 初撐力分析

在工作面的回采過程中，為保障液壓支架以較高的工作阻力狀態工作，通過提高支架初撐力能夠有效的實現，根據18506工作面支架的利用率及平均初撐力的統計數據能夠得出20#支架的初撐力最大，為6098.51kN，其利用率為68.2%。1#支架的初撐力最小為3352.1kN，利用率37.5%。工作面支架的平均初撐力為4856.1kN，平均利用率為54.3%。通過對個支架的初撐力及利用率進行可知工作面支架的在循壞內未達到規定值，利用水平較低，與其設計75%的初撐力相差較多。根據相關研究可知[5,6]，液壓支架提供初撐后，提高其工作阻力所需時間與頂板覆巖穩定性有關，由上述分析知上方煤體及直接頂在支架的反復初撐下，使得原本已經破碎的圍巖的破碎程度進一步增大，造成工作面覆巖壓力與支架的初撐力之間不能很快的形成平衡，另一方面頂板破碎后減小了工作面上覆巖層的厚度，會進一步影響工作面支架阻力的發揮。

3.2 循環末支架阻力及工作頻率分析

通過對工作面中部的5架ZZ4000-1.7/3.5型液壓支架的循環末支架阻力平均值進行統計，數據如表2所示，由表中數據能夠得知支架的最小循環末阻力為6810kN，最大為7198kN，循環末平均阻力為7015kN，利用率為70.2%，這便說明液壓支架有充足的富余，發揮較好的支護效果。

表2 循環末支架阻力平均值

通過對支架的工作阻力進行分析，能夠根據所得數據繪制出支架工作阻力頻率分布規律圖，如圖5所示，能夠看出支架的工作阻力數據在5×103～6×103kN所占的比例最大為39%，在6×103～7×103kN的占到21%，工作阻力在9×103kN以上及3×103kN均為零。根據工作阻力頻率分布直方圖能夠得出工作阻力頻率呈現正態分布，這便表明液壓支架并沒有超載工作，能夠很好為回采空間提供支撐力。

圖5 支架工作阻力的直方圖

4 結 論

1）通過對18506工作面綜采工作面的液壓支架進行分析，得知后柱的受力明顯大于前柱，工作面中部的支架壓力大于兩端頭，液壓支架的壓力平均達到45%。

2）根據對基本頂斷裂前建立力學模型分析，得出18506工作面基本頂的初次斷裂步距為35.1m，周期來壓步距為11.7m，并通過對工作面回采期間進行數值模擬分析驗證了理論分析的結果。

3）通過分析支架的初撐力、循環末工作阻力及工作頻率等，得出總體上支架的初撐力偏小，應在支架安裝或推進時應注意讓頂板與支架充分接觸，并根據循環末液壓支架的工作阻力與額定阻力仍有一定的富余知支架的工作阻力較好的發揮了自身的承載能力，現有支架安全可靠，能夠保證工作面的安全生產。