掌石溝煤業(yè)15102工作面礦壓特征及支架合理性分析

畢學(xué)鋼

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 掌石溝煤業(yè)公司，山西 高平 048400)

1 工程概況

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)掌石溝煤業(yè)現(xiàn)開采15號(hào)煤層，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，厚度為3.96～4.1 m，平均4.03 m，含1～2層夾矸，傾角為0～6°。煤層直接頂為0.25 m厚的砂質(zhì)泥巖，老頂為7.9 m厚的K2灰?guī)r；直接底為4.3 m厚的含鋁質(zhì)泥巖，老底為4.55 m厚的砂質(zhì)泥巖。煤層整體形態(tài)為北高南低、西高東低的單斜構(gòu)造，局部有小褶曲，總體傾向南東20°，走向北東70°。15102工作面位于井田西部，是一采區(qū)的第二個(gè)工作面，工作面東部為實(shí)體煤，西部為15101采空區(qū)，南部與采區(qū)三條大巷相連，北部相距114 m為礦井邊界。根據(jù)巷道揭露的地質(zhì)資料，15102工作面周圍無陷落柱和大斷層出現(xiàn)，但局部有小褶曲，煤層有較小起伏。工作面采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，選用ZZ8200/22/45型四柱支撐掩護(hù)式液壓支架76架，ZZG8800/22/45型過渡支架6架。

2 礦壓觀測(cè)及顯現(xiàn)規(guī)律研究

2.1 礦壓觀測(cè)目的及測(cè)站布置

為了掌握15102工作面回采過程中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律以及支架的適應(yīng)性，對(duì)液壓支架的工作阻力、工作面老頂初次來壓以及周期來壓步距進(jìn)行了觀測(cè)分析。本次觀測(cè)采用KJ504礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行，在工作面布置三個(gè)測(cè)站，其中1測(cè)站分別在8號(hào)、11號(hào)、14號(hào)支架安裝壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量，代表工作面上部；2測(cè)站分別在35號(hào)、38號(hào)、41號(hào)支架安裝壓力傳感器，代表工作面中部位置；3測(cè)站分別在65號(hào)、68號(hào)、71號(hào)支架安裝壓力傳感器，代表工作面下部。每班讀取記錄一次數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在KJ504礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，以備后期分析。礦壓觀測(cè)站布置見圖1。

圖1 工作面礦壓觀測(cè)站布置

2.2 支架工作阻力觀測(cè)結(jié)果分析

本文對(duì)工作面推進(jìn)115 m后3個(gè)測(cè)站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸納、整理、分析，繪制出了工作面不同推進(jìn)距離時(shí)各測(cè)站液壓支架的工作阻力，如圖2-圖4。

圖2 1測(cè)站工作阻力隨工作面推進(jìn)距離變化

由圖2可得，在回采初期即30.8～46.6 m支架工作阻力相對(duì)較低，最大值為32.3 MPa，而伴隨著老頂初次來壓，在工作面回采至47.6～55.6 m之間，支架工作阻力快速增大，最大達(dá)到了44.7 MPa，隨后工作面回采到中部階段即55.6～87.6 m之間，支架工作阻力下降，期間隨著周期來壓工作阻力有所起伏，但起伏不大，在工作面回采至88.6～112 m之間時(shí)，工作阻力起伏相對(duì)較大，期間最大達(dá)到了42.4 MPa；可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)回采過程中1號(hào)測(cè)站支架工作阻力在回采階段的前段和后段波動(dòng)較大，而中部階段較為平穩(wěn)的原因是當(dāng)回采到中部時(shí)，中部支架起主要支撐作用，而前部支架相對(duì)受力較小。

圖3 2測(cè)站工作阻力隨工作面推進(jìn)距離變化

由圖3可知，整個(gè)曲線前后柱工作阻力相差較為明顯，其中前柱工作阻力相對(duì)較大，后柱工作阻力較低，平均工作阻力基本上都小于額定工作阻力。在推進(jìn)距離為50.6～55.6 m時(shí)，后柱的工作阻力達(dá)到峰值為47.3 MPa，發(fā)現(xiàn)大于額定阻力，這是因?yàn)槔享敵醮蝸韷簩?dǎo)致局部支架工作阻力增大；在推進(jìn)距離為30～40 m時(shí)，前后柱工作阻力都小于35 MPa；推進(jìn)距離在67.6～112 m之間，前后柱工作阻力之間差距明顯變大，在104 m左右時(shí)，最大相差40 MPa，可以看出此時(shí)前柱發(fā)揮主要支撐作用，在推進(jìn)距離為90～112 m之間時(shí)，支架工作阻力有所降低。綜上所述，在工作面中部液壓支架前后柱工作阻力在工作面回采過程中相差較大，表明隨著周期來壓，工作阻力波動(dòng)較大，運(yùn)行不平穩(wěn)，而且整個(gè)回采過程中中部支架工作阻力都相對(duì)較大，表明中部礦壓較為劇烈。

圖4 3測(cè)站工作阻力隨工作面推進(jìn)距離變化

由圖4可知，在工作面推進(jìn)30.8～48.6 m之間，支架工作阻力相對(duì)平穩(wěn)，起伏不大；在回采至49.6～88.6 m之間，曲線起伏明顯，在此期間老頂初次來壓以及周期來壓導(dǎo)致支架工作阻力變動(dòng)較大，其中最大工作阻力接近40.7 MPa；在回采至89.6～112 m時(shí)，期間曲線又發(fā)生了兩次較大的起伏，最大工作阻力達(dá)到了38.3 MPa，這是因?yàn)槠陂g發(fā)生了兩次周期來壓。通過對(duì)3測(cè)站液壓支架工作阻力的觀測(cè)可得，伴隨著回采過程的進(jìn)行，支架工作阻力因?yàn)轫敯鍋韷喊l(fā)生了明顯的起伏，另外從曲線峰值點(diǎn)可以看出最大值為40.7 MPa，與中部支架工作阻力相比較低。

綜上所述，1測(cè)站最大平均工作阻力達(dá)到峰值為42.4 MPa，2測(cè)站最大平均工作阻力達(dá)到峰值為43.3 MPa，3測(cè)站最大平均工作阻力達(dá)到峰值為39.6 MPa，從三條曲線來看雖然有個(gè)別點(diǎn)的工作阻力超過了額定阻力，但是其整體工作阻力依然在額定工作阻力之下，另外從3個(gè)測(cè)站所繪曲線的變化情況來看，礦壓總體規(guī)律為工作面中部礦壓較兩端強(qiáng)烈。

3 老頂周期來壓觀測(cè)及支架適應(yīng)性分析[1-2]

3.1 老頂周期來壓判據(jù)

為了了解回采過程中的上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并分析老頂?shù)膭?dòng)態(tài)演變，采用礦壓觀測(cè)中經(jīng)常使用的數(shù)理統(tǒng)計(jì)對(duì)老頂周期來壓步距進(jìn)行判據(jù)，具體可由下列公式進(jìn)行判據(jù)：

根據(jù)3個(gè)測(cè)站的觀測(cè)，利用公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理匯總，進(jìn)而得到如圖5所示的支架平均工作阻力和老頂來壓判據(jù)。

圖5 支架平均工作阻力和老頂來壓判據(jù)

由圖5可以看出，當(dāng)推進(jìn)到50.6 m時(shí)老頂初次來壓，隨著工作面的深入推進(jìn)，老頂來壓又呈現(xiàn)周期性的變化，推進(jìn)到61.4 m時(shí)發(fā)生第一次周期來壓，推進(jìn)到74.5 m時(shí)發(fā)生第二次周期來壓，推進(jìn)到85.7 m時(shí)發(fā)生第三次周期來壓，推進(jìn)到94.8 m時(shí)發(fā)生第四次周期來壓，推進(jìn)到104.7 m時(shí)發(fā)生最后一次周期來壓，從中可以看出最大周期來壓步距為13.1 m，最小周期來壓步距為9.1 m；總體顯現(xiàn)中間阻力大兩邊小，其中支架平均工作阻力在中部的增大也說明了老頂對(duì)工作面的壓力增大，進(jìn)而導(dǎo)致支架承受力增大。

為了進(jìn)一步判斷老頂周期來壓強(qiáng)度，通常使用動(dòng)載系數(shù)來衡量老頂周期來壓的強(qiáng)度，為此用下列公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析可得到不同周期來壓的動(dòng)載系數(shù)。

式中：q為動(dòng)載系數(shù)；p老為老頂周期來壓期間所測(cè)得的平均工作阻力，即支架的平均荷載；p平為非周期來壓期間所測(cè)得的平均工作阻力。

根據(jù)觀測(cè)所得數(shù)據(jù)，對(duì)各個(gè)階段的動(dòng)載系數(shù)進(jìn)行計(jì)算整理得到表1工作面來壓特征。

表1 工作面來壓特征

由表2可以看出，動(dòng)載系數(shù)最小值為1.25，最大值為1.39，平均1.32左右，根據(jù)該礦以往經(jīng)驗(yàn)及工作面地質(zhì)條件，正常情況下該工作面動(dòng)載系數(shù)應(yīng)控制在1.02～1.28之間，1.32相對(duì)與正常工作面的動(dòng)載系數(shù)較大，表明支架初撐力設(shè)置相對(duì)過低。

3.2 支架適應(yīng)性分析

掌石溝煤業(yè)15102工作面選用的支架型號(hào)為ZZ8200/22/45型，支撐高度為2.2～4.5 m，額定工作阻力為41.7 MPa，初撐力為31.5 MPa，為了對(duì)支架的合理性進(jìn)行分析，通過對(duì)工作面回采過程中支架的初撐力和工作阻力的分布頻率進(jìn)行分析，得到了不同區(qū)間支架初撐力及工作阻力的分布如圖6、圖7所示。

圖6 工作面支架初撐力頻率分布直方

圖7 工作面支架工作阻力頻率分布直方

由圖6可以看出，支架初撐力大部分分布在5～25 MPa之間，占據(jù)了所測(cè)總數(shù)的78.3%，而初撐力在25～35 MPa之間的支架僅為總量的10.9%，30～35 MPa之間僅占所測(cè)總數(shù)的3.8%，平均初撐力僅為16 MPa，為額定初撐力的50.1%，可見支架初撐力偏低。由圖7可得，支架工作阻力在20～25 MPa的占所測(cè)總數(shù)的21%，25～30 MPa占據(jù)所測(cè)總數(shù)的23%，40～45 MPa區(qū)間支架數(shù)僅占所測(cè)總數(shù)的5.1%，工作阻力在0～40 MPa之間的支架占所測(cè)總數(shù)的94.9%，平均支架阻力為32.1 MPa，占額定工作阻力的76.1%，可以看出額定工作阻力還有一定的富裕。

4 結(jié) 語

通過對(duì)山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)掌石溝煤業(yè)15102工作面回采過程中支架的初撐力以及工作阻力進(jìn)行觀測(cè)，確定了工作面老頂初次來壓步距為50.6 m，最大周期來壓步距為13.1 m，最小周期來壓步距為9.1 m；支架初撐力設(shè)置相對(duì)偏低，需要進(jìn)一步加大支架初撐力達(dá)到所需要求，并加強(qiáng)對(duì)頂板的管理。