寺家莊煤礦15301 大采高工作面礦壓顯現規律及支架適應性分析

鄭玉春

（潞安化工集團寺家莊公司，山西晉中045300）

1 工程概況

陽煤寺家莊公司15301 工作面位于北一盤區，工作面傾斜長度220 m，可采走向長度為2 288 m，開采15 號煤層，煤層厚度為3.75～7.2 m，平均厚度為5.24 m，平均傾角為4°，煤層賦存穩定，一般含有2～3 層夾矸，煤層頂底板巖層特征見表1。15301工作面采用大采高一次采全高采煤工藝進行回采作業，工作面采高為5.0 m，循環進度0.8 m，工作面采用ZY12000-30/68D 液壓支架，機頭和機尾分別布置3 臺ZYD12000-30/68D 性過渡支架，現為有效分析大采高工作面礦壓顯現規律及支架的適應性，特進行現場監測分析研究。

表1 煤層頂底板巖層特征表

2 礦壓顯現規律

2.1 礦壓觀測方案

15301 工作面采用KJ513 在線監測系統，通過監測系統能夠實現對液壓支架工作阻力的實時監測，工作面由回風巷向運輸巷方向劃分為3 個測站，分別為工作面上部、中部和下部，工作面不同區域上選擇3 個液壓支架安裝測力儀，其中工作面上部測力儀安裝支架編號為3、13 和24 號，工作面中部測力儀安裝支架編號為46、68 和90 號，工作面下部測站測力儀安裝支架編號為100、112 和138 號，具體工作面礦壓測區分布如圖1 所示。

圖1 15301 工作面礦壓測區分布圖

根據眾多理論研究和工程實踐結果表明[1-3]，工作面頂板來壓判據基準值為支架平均循環工作阻力與其標準差之和，具體工作面周期來壓的判據表達式為[1-2]：

式中：P為液壓支架的工作阻力；σ為循環工作阻力平均值的標準差；n為實測循環數；P為循環工作阻力的平均值；Pi為各循環實測工作阻力；

根據15301 工作面各測站的礦壓實測數據，代入公式（1）中能夠計算得出工作面不同測站間液壓支架來壓判據值，見表2。

表2 工作面各測站支架來壓判據表

工作面回采期間的來壓強度采用動載系數K表示，動載系數K等于工作面周期來壓和非周期來壓期間支架平均工作阻力的比值[3-4]，具體表達式為：

式中：K為動載系數；Pf為非周期來壓期間支架平均工作阻力；Pz為周期來壓期間支架平均工作阻力。

2.2 頂板來壓特征分析

根據15301 工作面回采期間的礦壓監測數據可知，在工作面各個分區內的液壓支架的工作阻力曲線基本呈現為相同的變化趨勢，而工作面不同分區間支架的工作阻力呈現出一定的差異，現選取13、68 號和112 號液壓支架分別代表工作面上部、中部和下部進行頂板來壓特征的分析，具體曲線如圖2 所示。

分析圖2（a）可知，工作面上部在回采推進約37 m 時頂板出現初次來壓現象，來壓期間液壓支架的工作阻力約為32 MPa，頂板初次來壓后工作面每間隔17 m 出現一次周期來壓現象，周期來壓期間支架的平均工作阻力約為31 MPa，頂板初次來壓和周期來壓期間的動載系數分別為1.4 和1.35。

分析圖2（b）可知，工作面中部在回采推進約36 m 時頂板出現初次來壓現象，來壓期間液壓支架的工作阻力約為38 MPa，頂板初次來壓后工作面每間隔17 m 出現一次周期來壓現象，周期來壓期間支架的平均工作阻力約為37 MPa，頂板初次來壓和周期來壓期間的動載系數分別為1.6 和1.5。工作面中部的初次來壓步距和周期來壓步距與工作面上下兩端相比，均出現一定程度的降低，這是由于工作面中部處于兩側懸空的狀態，工作面上部和下部均有實體煤柱起到一定的支撐作用。

分析圖2（c）可知，工作面中部在回采推進約37 m 時頂板出現初次來壓現象，來壓期間液壓支架的工作阻力約為32 MPa，頂板初次來壓后工作面每間隔17 m 出現一次周期來壓現象，周期來壓期間支架的平均工作阻力約為31 MPa，頂板初次來壓和周期來壓期間的動載系數分別為1.4 和1.38，回采期間支架同樣未出現小的周期來壓現象。

圖2 工作面不同分區液壓支架工作阻力曲線圖

綜合上述分析，結合礦壓監測數據能夠得出，工作面上部、中部和下部基本頂初次來壓步距的平均值分別為37.2、35.9 和37.2 m，周期來壓步距的平均值分別為16.83、16.0 和16.9 m，工作面上部、中部和下部來壓期間動載系數的平均值分別為1.39、1.5 和1.4。工作面周期來壓步距呈現出上下端頭大、中部小的特征，來壓強度呈現出中部大、兩端小的特征，且工作面回采期間不存在大小周期來壓現象。

3 支架適應性分析

15301 工作面回采期間，根據礦壓實時監測系統能夠得出工作面不同分區液壓支架的承載特性，分析液壓支架的承載特性及適應性，主要通過工作面回采期間支架的初撐力、工作阻力進行綜合分析，具體分析如下：

1）工作面上部：現以工作面上部13 號液壓支架的工作阻力運行狀況進行分析，具體支架初撐力和工作阻力分布頻率直方圖如圖3 所示。

圖3 工作面上部13 號液壓支架工作阻力分布頻率直方圖

分析圖3 可知，工作面上部13 號支架初撐力在10～25 MPa 范圍內的占比較大，達到45.71 %，其次為初撐力小于10 MPa 的達到30.2%，支架初撐力達到設定初撐力25 MPa 的比例僅占到25.19%，即表明工作面上部支架初撐力的使用效率較低。13 號支架工作阻力總體呈現為正態分布，直方圖中超出支架工作阻力的比例占到20%。

2）工作面中部：選取68 號液壓支架的工作阻力的承載特性進行分析，具體支架初撐力、工作阻力和末阻力的分布特征如圖4 所示。

圖4 工作面中部68 號液壓支架工作阻力分布頻率直方圖

分析圖4 可知，工作面中部68 號支架初撐力分布整體呈現為駝峰分布，初撐力在10～25 MPa 范圍的占比達到52.78 %，支架初撐力達到設定初撐力25 MPa 的比例僅占到26.57 %，工作面中部同樣存在初撐力偏低的問題，68 號支架工作阻力總體呈現為正態分布，回采期間支架超出工作阻力（35 MPa）的比例達到38.8%，產生這種現象的主要原因為工作面中部來壓強度較大。

3）工作面下部：選取100 號液壓支架的工作阻力的承載特性進行分析，具體支架初撐力、工作阻力和末阻力的分布特征如圖5 所示。

分析圖5 可知，工作面下部100 號支架初撐力在10～25 MPa 范圍的占比達到62.41%，支架初撐力達到設定初撐力25 MPa 的比例僅占到9.28%，這即表明工作面下部支架初撐力的使用效率極低，支架結頂效果較差；100 號支架工作阻力絕大部分均處于正常運行狀態，僅存在少數支架在操作和斷層影響下出現工作阻力偏高和偏低的現象。

圖5 工作面下部100 號液壓支架工作阻力分布頻率直方圖

綜合上述分析可知，工作面支架初撐力呈現為駝峰分布，支架初撐力達到25 MPa 以上的僅占到總體支架的30%左右，工作面液壓支架工作阻力呈現為正態分布，工作面中上部支架工作阻力大于額定工作阻力的比例達到20%以上，即表明工作面中上部頂板壓力相對較大，支架處于極限受力狀態。據此可知，ZY12000-30/68D 型液壓支架總體適應性較好，后續需加強支架操作和泵站管理，提升支架初撐力的合格率，確保初撐效果，同時加強對工作面中上部液壓支架的管理，防止支架出現壓死現象。

4 結 論

根據15301 大采高工作面的開采條件，通過回采期間現場監測的方式，分析液壓支架工作阻力曲線得出工作面初次來壓和周期來壓步距平均值分別在35.9～37.2 m 和16.0～16.9 m，頂板來壓強度呈現出中部大、兩端小的特征；通過支架承載特性分析得出ZY12000-30/68D 型液壓支架總體適應性較好，需進一步提升支架初撐力的合格率，加強對工作面中上部液壓支架的管理。