寶欣煤礦近距離煤層下層工作面礦壓顯現規律及支架適應性研究

卞學鵬

(山西古縣蘭花寶欣煤業有限公司，山西 臨汾 042405)

1 工程概況

蘭花寶欣煤礦井田內開采煤層為2號、3號、9+10號和11號煤層。2號煤層厚度為0.73～1.24 m，平均厚度0.86 m，3號煤層厚度為1.5～1.9 m，平均厚度為1.77 m，2號煤層與3號煤層平均間距為13.4 m，屬于近距離煤層，層間的巖性主要為砂巖和砂質泥巖。3101工作面開采3號煤層，煤層直接頂為中細砂巖，平均厚度為3.2 m，基本頂為中細砂巖，平均厚度為1.5 m，底板巖層為泥巖和砂巖泥巖，3103工作面布置在上部2101工作面外側，具體兩工作面的布置形式見圖1。根據礦井設計報告可知，2101工作面與3103工作面采用聯合開采，3103工作面滯后2101工作面40 m進行回采作業，為掌握3103工作面回采期間的礦壓顯現規律，特在工作面回采期間進行礦壓監測與分析。

2 礦壓顯現規律

3103工作面采用ZZ3400/15/24型液壓支撐掩護式液壓支架，該液壓支架的初撐力為2 524 kN，支架的工作阻力為3 400 kN。該液壓支架的最大和最小控頂距分別為4.625 m和4.025 m。3103工作面傾斜長度為135 m，工作面內共布置86架液壓支架，工作面回采期間進行液壓支架工作阻力的監測分析，在工作面內布置12組測站，如圖2所示。工作面回采期間每10 min進行液壓支架工作阻力的監測分析，觀測值為液壓支架的液壓支架左立柱和右立柱兩個數值。

圖1 2101與3103工作面回采巷道布置形式示意

圖2 3103工作面液壓支架監測系統布置方式示意

工作面液壓支架的監測分析劃分為3組，分別為工作面上部、中部和下部。為分析工作面不同區域的礦壓顯現規律，每組分別選取兩個液壓支架進行工作阻力曲線分析。工作面上部選取70號和85號，工作面中部選取30號和45號，工作面下部選取1號和10號。具體工作面不同區域液壓支架的工作阻力曲線如圖3所示。由圖3可知，各組液壓支架的工作阻力曲線基本呈相同的變化趨勢。

根據表1結合液壓支架的工作阻力曲線可知，3101工作面直接頂的初次垮落步距為16.1 m，基本頂平均初次來壓步距為21.4 m，工作面上部、中部和下部的來壓步距分別為21.4 m、20.1 m和22.6 m；另外從表中能夠看出，觀測期間內基本頂出現5次周期來壓現象，工作面整體平均周期來壓步距為10.4 m，工作面上部、中部和下部區域的基本頂周期來壓步距分別為10.5 m、10.8 m和10.0 m；綜合上述分析可知，3103工作面回采期間基本頂的初次來壓步距和周期來壓步距分別為20.4 m和10.4 m。

另外根據液壓支架工作阻力的監測數據能夠得出工作面不同區域支架左右柱壓力數值，現從工作面上部、中部和下部區域分別選取3號、7號和11號測站的工作阻力柱狀圖進行統計分析，得出工作面不同位置處支架左右柱壓力數值柱狀圖如圖4所示。

圖3 工作面回采期間液壓支架工作阻力曲線

分析圖3可知，3103工作面回采期間，液壓支架的工作阻力基本在200～400 bar之間，即液壓支架的工作阻力值在1 600～3 200 kN的范圍內，無液壓支架工作阻力超限現象出現，支架的阻力均在合理范圍內；工作面上部區域和下部區域液壓支架的工作阻力增長速度明顯快于中部區域，上部區域和下部區域液壓支架的工作阻力很快能夠達到支架正常工作的要求，而中部區域液壓支架工作阻力增阻速度較慢，產生這種現象的主要原因為工作面中部區域為2101工作面的采空區，由于頂板巖層在上煤層回采后已經破壞，覆巖壓力較小[1-3]，而工作面兩端頭區域受到上部和下部煤層未開采區域應力集中的影響，液壓支架工作阻力較大。

根據液壓支架工作阻力的監測分析，得出3101工作面回采期間的礦壓規律如表1所示。

表1 工作面頂板來壓特征統計

圖4 工作面液壓支架工作阻力柱狀圖

由圖4可知，工作面上部液壓支架左柱和右柱的平均值分別為2 298 kN和1 801 kN，工作面中部區域液壓支架左柱和右柱工作阻力的平均值分別為2 442 kN和1 746 kN，工作面下部區域支架左柱和右柱工作阻力的平均值分別為2 288 kN和1 823 kN。據此可知，工作面不同區域處，液壓支架左柱壓力的平均值均大于右柱壓力。進一步分析液壓支架的工作阻力數據可知，工作面上部、中部和下部支架工作阻力的平均值分別為1 957 kN、2 000 kN、4 210 kN,最大值分別為3 157 kN、4 210 kN、3 260 kN。據此可知，工作面上部和下部的支架工作阻力略小于工作面中部區域，且工作面中部區域的來壓強度最大值也較大。

3 支架適應性分析

為有效分析3101工作面回采期間液壓支架的適應性，從工作面初采期間便進行支架左右兩柱工作阻力的分析，現選取2014年5月21日～8月31日時間段內支架壓力值數據進行分析，將數據以1 000 kN、2 000 kN、3 000 kN和4 000 kN為劃分界限，根據液壓支架位置的不同，將支架劃分為上部、中上部、中下部和下部四類[4-8]，根據統計數據得出工作面不同區域支架工作阻力柱狀圖，見圖5。

由圖5可知，工作面上部區域液壓支架工作阻力在0～1 000 kN，1 000～2 000 kN，2 000～3 000 kN，3 000～4 000 kN圍內數值占比分別為4.07%、36.84%、58.21%和0.88%，支架工作阻力在2 000～3 000 kN區域內的最多，且上部區域液壓支架無工作阻力超過4 000 kN的現象出現；另外從圖中能夠看出工作面中上部、中下部和下部區域液壓支架的工作阻力呈現為相同的規律，液壓支架工作阻力落在2 000～3 000 kN區域內數值占到總體支架的50%以上，其次為1 000～2 000 kN區域內數值占到總體支架約30%，液壓支架無超過4 000 kN現象的出現。綜合上述分析可知，工作面液壓支架的工作阻力基本均分布在3 000 kN附近的區域，支架無超出工作阻力的情況，回采期間無壓架現象出現，這即表明3103工作面采用的ZZ3400/15/24型液壓支架的適應性較好，支架處于良好的工作狀態。

圖5 工作面不同區域液壓支架工作阻力柱狀圖

4 結 語

根據3103工作面的賦存特征，基于3103工作面與上覆2101工作面的位置關系，通過現場監測的方式可知：工作面上部和下部區域支架的增阻速度快于中部，工作面基本頂的初次來壓步距和周期來壓步距分別為20.4 m和10.4 m，根據液壓支架適應性分析可知，ZZ3400/15/24型液壓支架適應性較好。