同忻煤矿大采高综放开采工作面矿压研究

赵 杰，杜学领

（1.山西保利平山煤业股份有限公司，山西 沁水 048205；2.中国矿业大学（北京） 资源与安全工程学院，北京 100083）

1 工作面概况

同忻煤矿8101工作面位于井下3-5号煤层北一盘区2101巷与5101巷之间，为该盘区首采工作面，地面标高1 192.3～1 282.5 m，井下标高781.1～796.3 m，平均可采走向长度1 678.05 m，工作面倾斜长度199.5 m。所采煤层结构复杂，煤层厚度11～23.64 m，平均厚度14.13 m，煤层倾角0°～4°，平均1°。8101工作面采用单一走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤开采，采高3.9 m，放煤厚度10.23 m，采放比约为1∶2.6。使用Eickhoff SL-500AC型采煤机落煤装煤，42×1000×268AFC 2×1050 kW TTT 型前部刮板运输机和 42×1250×268AFC 2×1050 kW TTT 型后部刮板运输机运煤，ZF15000/27.5/42型低位放顶煤支架支护顶煤、顶板。按一刀一放多轮间隔顺序放煤的正规循环作业，循环进度、放煤步距都为0.8 m，直到工作面停采线前40 m。停采线前40 m到停采线，只割煤不放煤。顶板管理采用自然垮落法。

2 矿压观测方案

在8101工作面布置11个测站，测站沿工作面均匀布置，见图1。测站位置分别为工作面9号、19号、29号、39号、49号、59号、69号、79号、89号、99号和109号液压支架处。

图1 8101工作面矿压观测测站布置图

8101工作面矿压观测主要包括：在线监测、日常监测记录和落实整改三个方面，8101工作面长199.5 m，支架数量118架，在工作面设10个压力分机，压力分机的3个接口分别接支架的前柱、后柱的下腔，从9号支架开始每间隔9个支架安设一组。采用山东尤洛卡公司的KJ216型综采支架压力在线监测系统对工作面支架的载荷及其工况连续监测，在未安装自动监测系统的支架上安装一组数显压力表，对前柱、后柱的下腔压力监控，用于检测支架的初撑力和工作阻力。

3 观测结果分析

3.1 工作面支架的承载特性和适应性分析

8101面支架阻力监测持续9个月,支架载荷数据包括：在线连续监测压力变化曲线及日常综采面支架压力采集表。

1）支架支护阻力的频率分布。通过对工作面采集的支架立柱的所有液压信息进行分析后，得出液压支架支护阻力分布情况。①实测结果表明，8101面支架支护阻力分布频率以区间24～30 MPa所占比率最大。②8101面支架支护阻力>36 MPa占总体支架支护阻力比例不大。其中，在工作面中部工作阻力>36 MPa所占比率要大于两端，说明中部支架所承受的最大来压强度要大于两端。来压期间，个别支架工作阻力超过额定阻力，安全阀开启，给安全带来隐患，来压期间必须加强工作面支护管理工作。③支架阻力分布频率中，区间0～6 MPa的分布频率占总体分布比率较大，其中，后柱支护阻力分布于区间0～6 MPa比率明显大于前柱。前柱>36 MPa明显多于后柱，说明前柱工作阻力大于后柱。④除部分支架阻力开启安全阀、支架发生压裂情况，总体上支架运行状态基本能满足工作面的支护需求，支架性能可以得到充分发挥。

2）支架工作阻力工作特性与适应性分析。图2为支架支护阻力统计图，由图可知，工作面全体支架平均支护阻力31 MPa，占额定工作阻力的51.60%，工作阻力可以满足工作面实际开采的要求。工作面支架前后柱载荷比最小1.07，最大1.69，平均1.35。

图2 支架支护阻力统计分析

3.2 工作面矿压显现规律分析

1）工作面周期来压分析。依据工作面液压支架的运行状态监测结果、各测线液压信息均值进行分析、统计，绘制全过程支架工作阻力趋势曲线图，取工作面的推进度为横坐标（以开始观测时为0计起，至工作面推进200 m为止），取工作面支架工作阻力值为纵坐标，分析工作面沿走向方向的矿压分布规律。分别对39号、49号、59号、69号、79号和89号支架工作阻力均值在一个月内变化进行了曲线绘制。图3为整个工作面支架阻力曲线图。

图3 整个工作面支架支护阻力变化曲线

由此可见，该工作面顶板来压周期平均3～5 d，来压步距多为19.1～26.6 m，平均22.22 m，来压步距相差较大，来压持续时间较短，在来压期间个别支架工作阻力超过额定阻力。单个支架的变化曲线可以看出，来压期间很多支架的液柱值都达到38 MPa，因此合理的支护阻力底限值应大于38 MPa。

2）来压时与未来压时整个工作面支架支护阻力对比分析。通过采集到数据，观测到10次来压，整理典型来压时间段整个工作面立柱液压数据，绘制对比曲线图总结8101综放工作面来压规律，为评价支架—围岩的适应性提供基础性数据。见图4、图5，黑色曲线代表来压时阻力变化，立柱液压在工作面中部达到最大，且在中部极值点相对比较集中，分布面也较广，在工作面上部和下部也出现了极大值点，分布面不如中部广，整个工作面立柱液压值普遍较大，前柱液压普遍大于后柱。浅色曲线代表未来压期间阻力变化。由图得出：立柱液压集中分区比较明显，液压峰值出现在工作面中部，但极值点分布很离散，而工作面上部和下部也出现离散的极大值点，整个工作面立柱液压分布较来压时普遍偏低，前柱液压值普遍大于后柱。

综上所述，工作面来压期间整个工作面立柱液压出现持续偏高，未来压时整个工作面立柱液压分布普遍较低，液压峰值均出现在工作面中部，且中部液压分布较上部和下部面广，来压时出现较高液压值的分布范围较大，而未来压时只出现了相对较为离散的高液压值，前柱压力普遍大于后柱。由图4、图5可知，来压期间，前柱增载系数1.14，后柱增载系数1.22。

图4 工作面来压时与未来压时支架前柱工作阻力对比图

图5 工作面来压时与未来压时支架后柱工作阻力对比图

4 结论

1）工作面全体支架平均支护阻力18.31 MPa，占额定工作阻力的51.60%，支架是较富裕的，工作阻力满足工作面实际开采要求。

2）工作面存在周期来压现象，但是周期来压不明显。从单个支架的变化曲线看出，来压期间很多支架的液柱值都达到38 MPa，8101工作面顶板来压周期平均 3～5 d，来压步距 19.1～26.6 m，平均 22.22 m，来压持续时间较短，来压期间，增载系数1.18，一些支架工作阻力超过额定阻力，部分支架工作阻力达到安全阀开启值；安全阀开启后的来压期间必须加强工作面支护管理，因此合理的支护阻力底限值应大于38 MPa。

3）8101综放面综采支架前柱的工作阻力普遍大于后柱；8101工作面支架前后柱载荷比最小1.07，最大1.69，平均载荷比1.35。

4）工作面中部支架的工作阻力普遍大于两端，来压期间，前柱增载系数1.14，后柱增载系数1.22。

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