王坡煤礦半孤島綜放工作面礦壓規律研究

徐儀昌

（山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048021）

現階段我國厚煤層開采普遍采用綜合機械化放頂技術。放頂煤開采時，工作面推進速度較快，工作面內礦壓顯現劇烈，常面臨采場圍巖的控制難題，掌握工作面周期來壓規律對于采場圍巖的控制具有重要的意義。目前王坡礦及周邊礦井對沁水煤田厚煤層的開采多采用綜采放頂煤為主。沁水煤田3#煤層煤體較為破碎，在工作面回采過程中，頂板冒頂和煤壁片幫事故頻發，嚴重影響著礦井的安全高效生產。為此，王坡煤礦3209 工作面回采期間實時記錄液壓支架工作阻力的變化，通過統計計算得到基本頂周期來壓的規律，掌握支架的適應性，為王坡煤礦綜放工作面頂板壓力的有效控制提供依據。

1 工程概況

1.1 礦井地質特征

山西天地王坡煤業有限公司王坡煤礦井田位于山西省晉城市西北部的王坡村以西，距晉城市約25km，是沁水煤田樊莊勘探區的一部分。即將回采的3209 工作面東側為3207 工作面采空區，留設15m 保護煤柱；西側設計工作面尚未開采；3209工作面南部與3 條開拓大巷連通。3 號煤層平均厚5.76m，頂底板具體的巖性特征如表1 所示。圖1為3209 工作面與3210 工作面的相對位置的采掘工程平面圖。由圖可知，兩工作面距離較近，最短的直線距離僅為539m，且地質條件較為相似。3209工作面一側與采空區相鄰，屬于典型的半孤島工作面，因此以3209 工作面為研究背景，來指導3210工面的回采具有重要意義。

表1 3209 工作面頂底板巖性特征

1.2 工作面支架設備信息

王坡煤礦3209 工作面采用走向長壁采煤法，綜采放頂煤采煤工藝，工作面割煤高度為2.9m。工作面基本支架確定為ZF8000/17/32 型低位放頂煤液壓支架，工作面共布置115 架。該種液壓支架的相關參數：型式為低位放頂煤液壓支架，中心距1500mm，寬度1410～1580mm，初撐力6180kN（P=31.5MPa），工作阻力8000kN（P=40.8MPa），泵站壓力31.5MPa，移架步距800mm。

圖 1 工作面相對位置的采掘工程平面圖

2 支架壓力觀測方法及測點布置

采用KJ21B 礦山壓力監測系統（B/S 版）監測王坡煤礦3209 工作面液壓支架工作阻力[1]。工作面中部采用ZF6000/17/32H 型液壓支架，端頭采用ZFG6400/18/32 型液壓支架。礦壓報告時間從2018 年9 月27 日開始，截至2018 年11 月9 日。KJ21B 礦山壓力監測系統結構如圖 2 所示。3209 工作面共布置了12 臺支架壓力記錄儀，分別安裝在4#、14#、24#、34#、44#、54#、64#、74#、84#、94#、104#、114#。

圖 2 KJ21B 礦山壓力監測系統結構

3 頂板來壓顯現分析

為根據支架工作阻力隨工作面推進度變化情況得到工作面的礦壓顯現規律，以液壓支架的循環末阻力的平均值和均方差的和作為工作面來壓的判據，數據計算公式為[2]：

表2 各支架來壓判據

如表2、表3 所示結果可以看出，各個液壓支架工作阻力的平均值差異較大，各個支架的工作阻力的均方差較大，液壓支架工作阻力存在較大波動，工作面基本頂來壓期間，多數支架工作阻力明顯增大，來壓明顯。由表3 所示工作面周期來壓步距可以看出：3209 工作面從2018 年9 月27 日到2018年11 月5 日經歷了周期來壓7 次，其中，來壓步距最小為10.1m，最大為21.0m，平均來壓步距為13.4m，工作面周期來壓具有明顯的規律性。

表3 基本頂初次來壓及周期來壓步距（m）

4 支架工作阻力分布及適應性分析

4.1 支架工作阻力分布

對工作面所有實測支架工作阻力數據進行統計分析，如圖 3 所示，液壓支架理想的工作狀態要求其工作阻力在各區間所占的百分比呈正態分布[3]。由圖可知，液壓支架工作阻力一定程度上符合正態分布，支架工作阻力處于5000kN 以下的工作時間占整個工作時間的98.17%，支架工作阻力處于5000kN 以上的工作時間占整個工作時間的1.76%，支架工作阻力很少有達到5000kN。由此可知，支架的工作阻力鮮有超過其額定工作阻力的情況，現有液壓支架能夠滿足工作面采場圍巖支護的要求，且存在一定的富余量。

圖 3 支架工作阻力分布圖

4.2 支架適應性分析

參考大量的相關文獻，液壓支架工作阻力隨時間的變化規律可總結為以下幾種類型[4-5]：a.急增阻—微增阻；b.急增阻—微增阻—急增阻；c.無急增阻階段；d.初撐—降阻—微增阻。如圖4 所示，a 一次急增阻式表明液壓支架初撐力設計偏小，對于頂板的支撐力減小，頂板快速下沉，使支架的工作阻力迅速增大，直至支撐力達到頂板支撐的要求，支架工作阻力開始緩慢增大；b 二次急增阻型式，支架初撐力略小于頂板平衡所需的支撐力，頂板下沉導致支架工作阻力快速增大，但是支架工作阻力增幅較小；c 微增阻式和d 降阻式支架工作狀態表明支架初撐力過大，支撐后頂板立即達到相對的平衡狀態。

圖 4 支架工作阻力—時間曲線

3209 工作面液壓支架工作狀態統計結果如圖5所示。70%左右液壓支架的工作狀態屬于a 一次、b 二次急增阻式，此時多為頂板來壓期間；支架工作狀態屬于c 微增阻式約占12%，此時多為工作面非來壓期間；支架工作狀態為降阻式約占18%，此時多為工作面非來壓期間。綜上可知，王坡煤礦3209 綜放工作面液壓支架初撐力設計偏低。

圖 5 支架工作特性

5 結論及建議

（1）3209 工作面從2018 年9 月27 日到2018年11 月5 日平均經歷了7 次周期來壓，周期來壓步距最小為10.1m，最大為21.0m，平均13.4m，工作面來壓較為劇烈，具有明顯的周期性。

（2）實測工作面支架工作阻力處于5000kN 以下的工作時間占整個工作時間的98.24%，5000kN以上的工作時間占1.76%，支架處于一次或二次增阻類型占70%。表明支架額定工作阻力能夠滿足工作面正常開采時支護頂板的要求，同時還有一定富余，但是液壓支架初撐力偏低。

（3）3209 工作面液壓支架工作阻力能夠滿足采場圍巖控制的要求，頂板冒頂和煤壁片幫事故頻發主要由于初撐力偏低，3210 工作面回采期間應適當地提高支架初撐力，保證支護質量，確保工作面的安全高效生產。