新景礦8128 綜采工作面覆巖運動規律及支架適應性分析

王曉漢

（華陽集團新景公司，山西 陽泉 045000）

1 概況

新景礦8218 工作面井下位于8 號煤蘆南區北翼采區，東為8127 工作面（已掘），南為8 號煤蘆南區北翼采區大巷，西為8129 工作面（未掘），北為525 水平中條帶大巷。工作面開采8 號煤層，煤層平均厚度為2.94 m，平均傾角為6°，煤層頂板巖層為泥巖和中粒砂巖，底板巖層為砂質泥巖和細砂巖，具體煤層頂底板巖層特征見表1。8218 工作面采用綜合機械化開采方法，工作面安裝1 部SGZ-800/800Q 型刮板輸送機，148 組ZY5000-16/35 型支架，采用MG300/700-WD 型采煤機落煤和裝煤，開采高度2.94 m，循環步距0.8 m。為掌握工作面礦壓規律，進行回采期間壓力顯現規律和支架適應性的分析。

表1 煤層頂底板巖層特征Table 1 Characteristics of roof and floor strata in coal seam

2 覆巖運動規律分析

為有效分析8218 工作面回采期間頂板垮落規律，根據8218 工作面的地質條件，采用RFPA 數值模擬軟件進行覆巖運動規律的分析，建立數值模型，限制模型X 方向的位移，模型Y 軸方向施加上覆巖層荷載[1-2]，模型在網格劃分為X×Y=400 m×250 m，共計劃分10 000 個單元網格，設置工作面每次回采長度為2 m，工作面在回采不同長度下覆巖運動規律如圖1 所示。

圖1 工作面回采不同長度下覆巖運動規律Fig.1 Movement law of rock under different mining length in working face

分析圖1 可知，8218 工作面回采推進15 m時，工作面上方的直接頂巖層開始垮落，巖層的垮落高度為0.5～1 m，隨著工作面回采作業的持續進行，基本頂懸頂面積逐漸增大，直至工作面回采41 m 時，基本頂出現初次垮落，巖層的垮落高度約為15 m。當工作面回采推進52 m 時，工作面出現第一次周期來壓現象，基本頂的周期來壓步距約為11 m，且垮落的巖層塊度較大；當工作面回采推進62 m 時，工作面基本頂出現第二次周期來壓現象，來壓步距為10 m。

綜合上述分析能夠得出，工作面直接頂和基本頂的初次垮落步距分別為15 m 和41 m，垮落高度分別為0.5～1 m 和10～15 m，基本頂初次來壓后，平均周期來壓步距約為12.43 m，垮落高度平均為15 m。

3 礦壓顯現規律及支架適應性

3.1 礦壓顯現規律

8218 工作面回采期間，通過液壓支架工作阻力的監測，分析回采期間工作面的礦壓顯現規律，在工作面內根據與運輸巷距離不同設置3 個測站，其中1 號測站布置在距運輸巷20 m，2 號測站距運輸巷110 m，3 號測站距運輸巷200 m，其中2 號測站布置在工作面中部，其與1 號測站和3 號測站間的距離均為90 m，每個測站內分別進行3 個液壓支架工作阻力的監測。另外在工作面回采期間，在兩巷超前20 m 的范圍內布置圍巖變形觀測站，超前巷道圍巖表變形量采用十字布點法進行圍巖變形觀測[3-4]，具體工作面測站布置方式如圖2 所示。

圖2 工作面測站布置方式示意Fig.2 The layout of working face station

工作面回采期間，通過持續對3 個測站支架工作阻力的監測分析，能夠得出測站內液壓支架的工作阻力曲線，1 號測站代表工作面上部區域，2 號測站代表工作面中部區域，3 號測站代表工作面下部區域，每個測站內3 組支架的工作阻力曲線基本一致，現取每個測站內一臺支架的工作阻力曲線進行分析，具體工作面不同區域支架工作阻力曲線如圖3 所示。

圖3 工作面回采期間液壓支架工作阻力曲線Fig.3 Working resistance curve of hydraulic support during working face mining

通過分析圖3 可知，8218 工作面回采期間覆巖運動規律呈現為工作面中部的來壓強度大于工作面上部和下部，基本頂初次來壓前，支架額定初撐力為31.5 MPa，在工作面回采推進42.1 m 時，基本頂出現初次來壓下降，但支架的工作阻力變化情況并不明顯，表明基本頂的初次破斷對支架工作阻力的影響較?。坏诨卷斨芷趤韷浩陂g，液壓支架工作阻力呈現出明顯的變化，特別在工作面回采到50～60 m 時，工作面由于一些因素，回采推進速度慢，工作面內液壓支架呈現出長時間承載的特征，工作阻力也相應增大，局部存在支架工作阻力超出額定阻力的現象，另外根據工作面回采期間的現場觀測結果可知，工作面頂板關鍵層的破斷遵循“O-X”破斷規律，工作面在上部、中部和下部3個區域內的破斷具有一定的時序性。

綜合8218 工作面回采期間液壓支架的工作阻力曲線，結合相關研究結果和規范，計算基本頂周期來壓步距的公式如下[5-6]：

根據工作面回采期間液壓支架的監測數據，確定工作面基本頂的來壓判據為37 MPa，具體工作面回采期間基本頂來壓情況如圖4 所示。

結合工作面回采期間的現場觀測情況可知，工作面回采推進42.1 m 時，支架工作阻力明顯增大，頂板下沉量大幅增加，基于上述特征判定基本頂的初次來壓步距為42.1 m，根據圖4 和現場情況可知，基本頂初次來壓后，隨著工作面回采作業的進行，基本頂出現了7 次周期來壓，每次來壓步距均在8.9～15.3 m，得出周期來壓平均步距為12.03 m。通過對基本頂來壓期間的來壓強度與來壓判據對比分析可知，來壓期間的動載系數為1.15～1.40，基本頂來壓期間來壓強度不高，未出現明顯的周期來壓現象，綜合工作面各階段來壓期間的情況，確定工作面頂板管理難度屬于中等水平。

圖4 工作面基本頂來壓判據Fig.4 The weighting criterion diagram of basic roof of working face

綜合上述分析可知，工作面液壓支架來壓情況與數值模擬得出的基本頂來壓步距結果基本相同，綜合數值模擬和支架工作阻力的監測結果，確定基本頂初次來壓和周期來壓步距分別為42.1 m 和12.03 m，周期來壓期間的平均動載系數為1.15～1.40。

3.2 支架工作阻力分析

根據回采期間液壓支架工作阻力的監測數據，繪制出支架初撐力、工作阻力的直方圖，如圖5所示。

圖5 液壓支架初撐力及工作阻力分布直方圖Fig.5 Histogram of initial support force and working resistance distribution of hydraulic support

工作面回采期間液壓支架的額定初撐力為31.5 MPa，分析圖5（a）可知，回采期間初撐力達標的支架僅占到5%，液壓支架額定初撐力達到額定初撐力80%的僅占到25%，據此可知工作面回采期間支架初撐力普遍不足，需加強支架初撐力的管理。分析圖5（b）可知，工作面來壓期間支架達到額定工作阻力的架次占到11%，且無支架壓死現象出現；當工作面在未來壓期間，工作面內液壓支架的工作阻力大部分處于初撐力以下。

綜合上述分析可知，ZY5000-16/35 型液壓支架可滿足工作面回采使用要求，工作面回采期間無活柱下縮量過大現象，支架適應性好，但支架初撐力存在嚴重不足現象，需要加強支架初撐力的管理作業。

4 結語

根據8218 工作面煤層賦存及開采條件，通過數值模擬得出回采期間覆巖的運動規律，結合工作面回采期間支架工作阻力的監測結果，確定基本頂初次和周期來壓步距分別為42.1 m 和12.03 m；ZY5000-16/35 型液壓支架整體適應性好，支架存在的主要問題為回采期間初撐力不足。