新景礦8128 綜采工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及支架適應(yīng)性分析

王曉漢

（華陽(yáng)集團(tuán)新景公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 概況

新景礦8218 工作面井下位于8 號(hào)煤蘆南區(qū)北翼采區(qū)，東為8127 工作面（已掘），南為8 號(hào)煤蘆南區(qū)北翼采區(qū)大巷，西為8129 工作面（未掘），北為525 水平中條帶大巷。工作面開(kāi)采8 號(hào)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(zhì)泥巖和細(xì)砂巖，具體煤層頂?shù)装鍘r層特征見(jiàn)表1。8218 工作面采用綜合機(jī)械化開(kāi)采方法，工作面安裝1 部SGZ-800/800Q 型刮板輸送機(jī)，148 組ZY5000-16/35 型支架，采用MG300/700-WD 型采煤機(jī)落煤和裝煤，開(kāi)采高度2.94 m，循環(huán)步距0.8 m。為掌握工作面礦壓規(guī)律，進(jìn)行回采期間壓力顯現(xiàn)規(guī)律和支架適應(yīng)性的分析。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征Table 1 Characteristics of roof and floor strata in coal seam

2 覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

為有效分析8218 工作面回采期間頂板垮落規(guī)律，根據(jù)8218 工作面的地質(zhì)條件，采用RFPA 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析，建立數(shù)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(wǎng)格劃分為X×Y=400 m×250 m，共計(jì)劃分10 000 個(gè)單元網(wǎng)格，設(shè)置工作面每次回采長(zhǎng)度為2 m，工作面在回采不同長(zhǎng)度下覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖1 所示。

圖1 工作面回采不同長(zhǎng)度下覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)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(jìn)15 m時(shí)，工作面上方的直接頂巖層開(kāi)始垮落，巖層的垮落高度為0.5～1 m，隨著工作面回采作業(yè)的持續(xù)進(jìn)行，基本頂懸頂面積逐漸增大，直至工作面回采41 m 時(shí)，基本頂出現(xiàn)初次垮落，巖層的垮落高度約為15 m。當(dāng)工作面回采推進(jìn)52 m 時(shí)，工作面出現(xiàn)第一次周期來(lái)壓現(xiàn)象，基本頂?shù)闹芷趤?lái)壓步距約為11 m，且垮落的巖層塊度較大；當(dāng)工作面回采推進(jìn)62 m 時(shí)，工作面基本頂出現(xiàn)第二次周期來(lái)壓現(xiàn)象，來(lái)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?shù)某醮慰迓洳骄喾謩e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(lái)壓后，平均周期來(lái)壓步距約為12.43 m，垮落高度平均為15 m。

3 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架適應(yīng)性

3.1 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

8218 工作面回采期間，通過(guò)液壓支架工作阻力的監(jiān)測(cè)，分析回采期間工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，在工作面內(nèi)根據(jù)與運(yùn)輸巷距離不同設(shè)置3 個(gè)測(cè)站，其中1 號(hào)測(cè)站布置在距運(yùn)輸巷20 m，2 號(hào)測(cè)站距運(yùn)輸巷110 m，3 號(hào)測(cè)站距運(yùn)輸巷200 m，其中2 號(hào)測(cè)站布置在工作面中部，其與1 號(hào)測(cè)站和3 號(hào)測(cè)站間的距離均為90 m，每個(gè)測(cè)站內(nèi)分別進(jìn)行3 個(gè)液壓支架工作阻力的監(jiān)測(cè)。另外在工作面回采期間，在兩巷超前20 m 的范圍內(nèi)布置圍巖變形觀(guān)測(cè)站，超前巷道圍巖表變形量采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行圍巖變形觀(guān)測(cè)[3-4]，具體工作面測(cè)站布置方式如圖2 所示。

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

工作面回采期間，通過(guò)持續(xù)對(duì)3 個(gè)測(cè)站支架工作阻力的監(jiān)測(cè)分析，能夠得出測(cè)站內(nèi)液壓支架的工作阻力曲線(xiàn)，1 號(hào)測(cè)站代表工作面上部區(qū)域，2 號(hào)測(cè)站代表工作面中部區(qū)域，3 號(hào)測(cè)站代表工作面下部區(qū)域，每個(gè)測(cè)站內(nèi)3 組支架的工作阻力曲線(xiàn)基本一致，現(xiàn)取每個(gè)測(cè)站內(nèi)一臺(tái)支架的工作阻力曲線(xiàn)進(jìn)行分析，具體工作面不同區(qū)域支架工作阻力曲線(xiàn)如圖3 所示。

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

通過(guò)分析圖3 可知，8218 工作面回采期間覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律呈現(xiàn)為工作面中部的來(lái)壓強(qiáng)度大于工作面上部和下部，基本頂初次來(lái)壓前，支架額定初撐力為31.5 MPa，在工作面回采推進(jìn)42.1 m 時(shí)，基本頂出現(xiàn)初次來(lái)壓下降，但支架的工作阻力變化情況并不明顯，表明基本頂?shù)某醮纹茢鄬?duì)支架工作阻力的影響較小；但在基本頂周期來(lái)壓期間，液壓支架工作阻力呈現(xiàn)出明顯的變化，特別在工作面回采到50～60 m 時(shí)，工作面由于一些因素，回采推進(jìn)速度慢，工作面內(nèi)液壓支架呈現(xiàn)出長(zhǎng)時(shí)間承載的特征，工作阻力也相應(yīng)增大，局部存在支架工作阻力超出額定阻力的現(xiàn)象，另外根據(jù)工作面回采期間的現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)結(jié)果可知，工作面頂板關(guān)鍵層的破斷遵循“O-X”破斷規(guī)律，工作面在上部、中部和下部3個(gè)區(qū)域內(nèi)的破斷具有一定的時(shí)序性。

綜合8218 工作面回采期間液壓支架的工作阻力曲線(xiàn)，結(jié)合相關(guān)研究結(jié)果和規(guī)范，計(jì)算基本頂周期來(lái)壓步距的公式如下[5-6]：

根據(jù)工作面回采期間液壓支架的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定工作面基本頂?shù)膩?lái)壓判據(jù)為37 MPa，具體工作面回采期間基本頂來(lái)壓情況如圖4 所示。

結(jié)合工作面回采期間的現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)情況可知，工作面回采推進(jìn)42.1 m 時(shí)，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?shù)某醮蝸?lái)壓步距為42.1 m，根據(jù)圖4 和現(xiàn)場(chǎng)情況可知，基本頂初次來(lái)壓后，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，基本頂出現(xiàn)了7 次周期來(lái)壓，每次來(lái)壓步距均在8.9～15.3 m，得出周期來(lái)壓平均步距為12.03 m。通過(guò)對(duì)基本頂來(lái)壓期間的來(lái)壓強(qiáng)度與來(lái)壓判據(jù)對(duì)比分析可知，來(lái)壓期間的動(dòng)載系數(shù)為1.15～1.40，基本頂來(lái)壓期間來(lái)壓強(qiáng)度不高，未出現(xiàn)明顯的周期來(lái)壓現(xiàn)象，綜合工作面各階段來(lái)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(lái)壓判據(jù)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(lái)壓情況與數(shù)值模擬得出的基本頂來(lái)壓步距結(jié)果基本相同，綜合數(shù)值模擬和支架工作阻力的監(jiān)測(cè)結(jié)果，確定基本頂初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距分別為42.1 m 和12.03 m，周期來(lái)壓期間的平均動(dòng)載系數(shù)為1.15～1.40。

3.2 支架工作阻力分析

根據(jù)回采期間液壓支架工作阻力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，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(dá)標(biāo)的支架僅占到5%，液壓支架額定初撐力達(dá)到額定初撐力80%的僅占到25%，據(jù)此可知工作面回采期間支架初撐力普遍不足，需加強(qiáng)支架初撐力的管理。分析圖5（b）可知，工作面來(lái)壓期間支架達(dá)到額定工作阻力的架次占到11%，且無(wú)支架壓死現(xiàn)象出現(xiàn)；當(dāng)工作面在未來(lái)壓期間，工作面內(nèi)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(mǎn)足工作面回采使用要求，工作面回采期間無(wú)活柱下縮量過(guò)大現(xiàn)象，支架適應(yīng)性好，但支架初撐力存在嚴(yán)重不足現(xiàn)象，需要加強(qiáng)支架初撐力的管理作業(yè)。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)8218 工作面煤層賦存及開(kāi)采條件，通過(guò)數(shù)值模擬得出回采期間覆巖的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，結(jié)合工作面回采期間支架工作阻力的監(jiān)測(cè)結(jié)果，確定基本頂初次和周期來(lái)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(yīng)性好，支架存在的主要問(wèn)題為回采期間初撐力不足。