汾源煤業5-101工作面礦壓顯現規律及支架適應性分析

李增祿

（霍州煤電集團汾源煤業公司，山西 靜樂 035100）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電集團汾源煤業公司5-101工作面位于5號煤層一采區，工作面開采5號煤層，煤層平均厚度10.5 m，傾角為37°～40°，屬大傾角特厚煤層，頂板巖層為石灰巖、泥巖；底板巖層為砂質泥巖、泥巖。5-101工作面采用綜合機械化放頂煤開采方法，開采高度2.8 m，放煤高度7.7 m，采放比為1∶2.75，由于工作面為5號煤層一采區的首采工作面，且工作面煤層軟、頂板軟、底板軟，屬于三軟地質條件，故在工作面回采期間需掌握礦壓顯現規律，以為后續工作面回采作業提供指導與參考。

2 礦壓顯現規律

2.1 監測方案

5-101工作面采用Z F8000/17/30D型放頂煤液壓支架，共計布置68臺液壓支架，現為有效監測分析工作面回采期間礦壓顯現規律，在液壓支架上布置11個測點；工作面液壓支架工作阻力監測劃分為3個區域，工作面下部監測6、12、18、24號液壓支架，工作面中部監測30、36號、42、48號液壓支架，工作面上部監測54、60、66號液壓支架，每個測點安裝1臺支架壓力記錄儀，記錄工作面推進過程中支架左右柱的壓力變化情況。

為監測工作面回采期間超前支承壓力的分布情況，巷道礦壓監測工作在兩回采順槽內安裝鉆孔煤體應力計，煤體應力計每組6臺，共2組，安裝在切眼前方50 m的工作面煤幫側[1-2]，安裝間距為5 m，安裝水平深度依次為3、5、7、9、11、13 m。煤體應力監測布置方式如圖1所示。

圖1 工作面煤體應力監測布置方式示意圖

2.2 監測結果分析

2.2.1 液壓支架監測結果分析

5-101綜放工作面于2019年4月開始試采，截止到2020年6月17日末采結束，工作面共推進464 m。本次分析自2020年1月1日至工作面5月26日支架壓力數據，由此得出5-101工作面正常回采礦壓顯現規律。

周期來壓分析以支架的平均循環末阻力與其均方差之和作為判斷頂板周期來壓的主要指標。數據計算的公式為[3-4]：

式中：σP為循環末阻力平均值的均方差；n為實測循環數；Pti為各循環的實測循環末阻力；Pt2循環末阻力的平均值。

頂板來壓的判據公式如下：

根據監測結果及上述頂板來壓判據公式，得出各支架周期來壓判據見表1。

表1 各支架周期來壓判據表

根據液壓支架工作阻力的監測結果可知，5-101工作面回采期間工作面上部、中部、下部的液壓支架工作阻力曲線基本呈現為相同的變化趨勢，現選取12、42、60號支架工作阻力曲線進行分析，支架工作阻力曲線如圖2所示。

圖2 支架工作阻力曲線圖

根據液壓支架工作距阻力的監測結果可知，2020年1月-5月26日，工作面頂板共計有17次周期來壓，工作面兩端來壓次數較中部少，來壓次數最多的部位為12、18號附近，即工作面變坡點附近，此2處來壓強度最大，60、66號架附近來壓強度最小；來壓步距平均為12.4 m，由于6、60、66號架周期來壓規律性不強，剔除后平均周期來壓步距為12 m。

由以上分析可看出，工作面周期來壓有四點規律：①工作面不同區段來壓頻次、強度不均衡，中部來壓強度、頻次大于工作面兩端；②從時間上看12、18號來壓發生較其他支架早，可作為工作面來壓判斷的基準；③目前數據分析整個工作面來壓步距為12.4 m，以目前的推進速度1.8 m/d，平均7 d發生1次周期來壓，來壓在整個工作面持續時間約2 d。

2.2.2 煤體應力監測結果分析

根據煤體應力監測結果能夠得出回風巷3、5、7、9 m深度煤體應力曲線如圖3所示。

圖3 工作面超前區域煤體應力曲線圖

根據各測站煤體應力曲線，5-101回風巷3 m深煤體應力在超前工作面30 m處開始增大，直至工作面通過測點，應力計初始值5.5 MPa，隨工作面的推進增加至8.3 MPa；5 m深煤體應力在超前工作面32 m處開始增大，直至工作面通過測點，應力計初始值4.6 MPa，隨著工作面的推進增加至9.2 MPa；7 m深煤體應力在超前工作面29 m處開始增大，直至工作面通過測點，應力計初始值4.9 MPa，隨著工作面的推進增加至9.5 MPa；9 m深煤體應力在超前工作面28 m處開始增大，直至工作面通過測點，應力計初始值5 MPa，隨工作面的推進增加至9.8 MPa。

綜合上述煤體不同深度應力曲線分析結果，確定工作面超期應力顯著影響區為工作面前0～30 m左右，但由于5號煤層較為松軟，工作面應力超前影響區范圍不大，應力提升速率較低且應力升高不多。

3 支架適應性分析

分析液壓支架的適應性主要通過支架工作阻力、初撐力及末阻力等反應，現分別分析支架工作阻力、初撐力及末阻力的運行情況。

3.1 支架工作阻力分析

支架合理的頻率分布峰值位于50%～80%額定工作阻力的區間內[5-6]。監測液壓架之間工作阻力頻率分布結果見表2，工作阻力分布直方圖見圖4。

分析表2和圖4可知，支架整體壓力偏低，正常推采期間整架壓力基本不超過3 000k N，僅在工作面來壓期間整架壓力能夠超4 000 k N；支架長期處于低阻力運行狀態，總體處于0～500 k N的時段占比高達20%，即每臺支架近20%的時間基本處于不受壓狀態；支架處于低阻力運行狀態的原因在于工作面頂煤松軟，放煤期間易出現頂煤在支架后柱垮落，導致支架后柱空頂，使整個支架受壓狀態較差。

表2 支架工作阻力頻率統計表（單位：%）

圖4 支架工作阻力分布直方圖

3.2 支架初撐力及循環末阻力

通過對支架工作阻力曲線分析，得出各支架初撐力及循環末阻力，各支架工作阻力特征見表3。

表3 各支架工作阻力特征表

Z F8000/17/30D支架額定初撐力為6 400 k N，額定工作阻力為8 000 k N，分析表3可知，5-101工作面各支架初撐力普遍不足，主要原因有2個方面：①頂煤松軟，升架時初撐力升高時，頂煤就會發生破碎，使初撐力提升困難；②工作面普遍存在支架后立柱空頂的現象，整架初撐力提升困難。

3.3 液壓支架管理建議

基于上述分析得出的支架工作阻力偏低、初撐力不足的問題，需加強液壓支架的管理作業。針對支架工作阻力偏低的問題，由于5-101工作面傾角大，放煤順序采用下行放煤作業，可確保工作面下段支架處于受力狀態抵抗上段支架的下滑和傾斜；同時放煤量不能過大，放煤時可根據支架前柱壓力表數據進行控制，壓力數據下降加速時即可停止放煤，防止支架前柱空頂；放煤后上段支架可先進行推進，使支架處于低阻力運行的時間盡量減少。

針對液壓支架初撐力低的問題，解決途徑為控制頂煤垮落的程度和范圍，確保支架前柱上方頂煤不隨放煤作業而垮落，保證支架前柱受力。

4 結論

根據5-101工作面三軟、大傾角的地質條件，通過對工作面回采期間液壓支架和煤體應力的監測，分析監測結果得出基本頂周期來壓步距為12.4 m，超期應力顯著影響區為工作面前0～30 m左右；根據支架適應性分析結果可知，支架工作時存在初撐力不足和工作阻力偏低的問題，提出了支架管理時的建議，為后續工作面回采提供基礎支撐。