厚煤层综放工作面不同来压判据对比分析

梁向辉

（山西煤炭运销集团金辛达煤业有限公司，山西 临汾 041000）

综采工作面支架工作阻力的变化正是由于顶板岩层变形移动引起的[1]，在工程实际应用中，一般通过现场实测支架工作阻力，研究支架平均工作阻力变化与工作面相应回采位置之间的相关性，分析总结工作面顶板矿压显现规律，用以推断工作面上覆岩层活动规律。统计分析支架实测工作阻力值时，正确的选择来压判断依据，是决定分析结果准确性的关键因素。尤其是在采用放顶煤开采工艺的工作面，由于支架上方顶煤的存在，支架与顶板相互作用机理与其他采煤工艺存在一定的差异，所以合理选择来压判断依据显得更为重要。

1 两种来压判据的适用性

1.1 时间加权平均工作阻力

通过支架工作阻力分析工作面矿压显现规律时，一般选用来压判据是以支架时间加权平均工作阻力，加上其均方差σ，即以作为采面顶板来压的临界值[2]。加权平均值在实际统计分析中相对比较简单，尤洛卡等矿压监测分析软件多采用此算法，但是对于不同条件、不同采煤工艺的工作面存在一定的局限性。矿压监测系统监测到的支架实际最大工作阻力，与支架初撑力以及移架作业循环持续时间有关。支架初撑力越大，移架循环持续的时间越长，实测支架最大工作阻力就越大，反之，越小。支架初撑力的大小，除受作业人员移架质量影响外，很大程度上与支架上方直接接触的顶板完整程度有关。综采放顶煤工作面由于支架上方顶煤放出的影响，顶板往往不完整，支架初撑力普遍比较低，实测的支架工作阻力普遍存在差异较大的现象，对工作面来压规律的统计分析也会有较大影响。

综采放顶煤开采过程中，支架的支撑力不是直接作用于煤层直接顶，而是通过支架上方顶煤，间接地对顶板进行控制[3]。后溜放煤过程中，支架掩护梁上方顶煤放出的同时，在矿压以及支架反复支撑顶煤的共同作用下，控顶区上方的部分顶煤也会提前冒落，造成支架后立柱处顶梁不能有效接触顶板，从而造成支架整体初撑力低，实测支架工作阻力也会相应较低；再者，割煤、移架、放煤、检修等不同作业时段，移架循环的持续时间有较大差别，所以不同时段支架阻力平均值也会受采煤工艺影响。所以，若仅仅以作为来压判据，可能会对工作面是否来压造成误判。

1.2 初增阻速度

根据移架循环内支架工作阻力的变化特点，其增阻过程包括三个阶段[4]（如图1）：①t1阶段：移架结束后，支架工作阻力最低，顶板下沉，支架支护阻力迅速升高，对顶板起到有效支撑，此阶段支架增阻速率较大，称为急增阻阶段，一般持续时间在30 min左右；②t2阶段：经过支架急增阻过程后，支架工作阻力已基本达到支撑顶板下沉的能力，顶板下沉缓慢，矿压变化趋于平稳，支架增阻速率较小，称为缓增阻阶段。此阶段一直持续至下一移架作业循环前，持续时间越长，支架最大工作阻力越大；③t3阶段：在下一作业循环移架前，受相邻1～2部支架降架的影响，顶板压力会在一定程度上向其他支架转移，导致支架工作阻力迅速升高，增阻速率较大，但变化幅度一般比较小，持续时间不长。

图1 支架增阻过程实测曲线

支架工作阻力是工作面顶板下沉的反作用力，两者存在正相关关系。所以，通过统计分析支架的增阻速度，同时，结合支架最大工作阻力，可以推断工作面上覆岩层活动的剧烈程度，作为分析判断工作面来压情况依据。

通过支架工作阻力变化的三个时段机理分析可以看出，t1阶段是工作面上覆岩层下沉或断块回转活动表现最为明显的阶段，所以支架急增阻阶段的支架增阻速度，即支架的初增阻速度，是衡量上覆岩层活动剧烈程度的较好参数。根据一般工作面作业循环时间，t1阶段一般不超过一个小时，所以，可选择移架结束后一个小时内支架的工作阻力变化量计算支架初增阻速度。即支架初增阻速度为：

式中：

Pv-支架的初增阻速度，kN/h；

P1-移架后1 h时支架工作阻力，kN；P0-支架的初撑力，kN。

2 两种来压判据的实测统计比较

2.1 实测统计结果对比

金辛达11101综放工作面平均埋深200 m，工作面走向长度940 m，切眼长度150 m，赋存条件稳定，煤厚平均6 m。煤层顶板为K2灰岩，平均厚度10.24 m，致密，坚硬，局部有裂隙；底板为泥岩粉砂岩互层，平均厚度3.1 m。

工作面采用走向长壁布置，综采放顶煤采煤工艺。回采期间，利用尤洛卡系列KJ653煤矿无线顶板动态监测系统，对工作面支架工作阻力进行连续在线监测。工作面共计101部支架，每8架安装一台无线矿压监测压力表，对13部支架进行监测。本文对工作面初采期间支架工作阻力监测结果进行了统计分析，统计内容包括支架的初撑力、时间加权平均工作阻力、循环末阻力、初增阻速度。

图2 支架来压统计曲线

图2所示的统计曲线，是根据工作面中部支架工作阻力实测值，分别以传统的时间加权平均工作阻力判断依据和支架初增阻速度判断依据，统计绘制的工作面矿压显现曲线。从曲线可以看出，工作面推进至26m左右时发生初次来压，推进至45m左右时发生第一次周期来压。前两次来压时，利用上述两种来压判据，分析判断结果一致。在工作面回采至60～100m期间，根据时间加权平均工作阻力统计曲线分析判断，工作面未发生周期来压；推进至75m、88m位置时，有增大的趋势，但最大阻力值没有达到来压的临界值。根据支架初增阻速度统计曲线显示，工作面推进至75 m、88 m位置时，支架升架后，工作阻力迅速升高，增阻速度明显比其他时段大，超过增阻速度来压临界值，说明此时工作面上覆岩层下沉活动明显，工作面发生周期来压。

2.2 原因分析

时间加权平均工作阻力是工作面整个作业循环过程中，支架在特定时间段内工作阻力的真实反映。支架工作阻力往往会受到工作面顶底板条件、支架工移架操作不规范等因素的影响。尤其是在综采放顶煤工作面中，频繁移架过程中，支架上方顶煤遭到破坏，放煤时，支架主顶梁上方顶煤容易提前被放出，容易导致支架主顶梁后半部分不能有效支护顶板，支架初撑力普遍较低，所以在工作面来压显现程度不明显的情况下，支架实际工作阻力会相应较低，在一定程度上会掩盖了工作面支架来压特征，造成对工作面周期来压的误判，但是从支架的最大工作阻力来看，工作面实际上也发生了来压现象。

图3 支架实测工作阻力曲线

图3为11101综放面在回采至65～100 m期间支架的初撑力及其最大工作阻力统计曲线。从统计结果可以看出，在此回采区间，现场支架实测的初撑力普遍偏低，监测值均在2000～3000 kN左右，均达不到支架额定工作阻力（7200 kN）的80%，从而导致了支架时间加权平均工作阻力统计结果值较低。从支架实测的循环末阻力统计曲线可以看出，采面回采至75m、88m前后时，支架实测循环末阻力分别为7235kN和6875kN，达到了支架的额定工作阻力，并且明显大于时间加权平均阻力的来压判据临界值4553 kN，可以判断，工作面回采至此位置时，发生了周期来压现象。但是根据支架时间加权平均工作阻力统计结果，工作面回采至此位置时，其相应统计值分别为4300 kN和3438 kN，都低于工作面来压判断的临界值，造成了工作面此时没有发生周期来压的错误判断结果。然而，根据支架初增阻速度统计结果分析判断，采面回采至75m、88m前后，移架完成后，支架实测工作阻力迅速升高，支架的初增阻速度跟其他时段对比，明显较大，可推断，工作面回采至此处时，上覆岩层运动较为剧烈，采面发生了周期性来压。

3 结论

通过对金辛达煤业11101综放面现场观测统计，分别选择支架时间加权平均工作阻力和支架初增阻速度作为周期来压判据进行了对比分析，结果表明：

（1）综放开采工作面，由于受顶煤冒落、放煤的影响，支架的初撑力普遍达不到规定要求，常用的平均工作阻力来压判据存在一定的局限性，在工作面来压影响范围较小或矿压显现不明显时，会掩盖掉支架的来压特征，造成采面周期来压步距统计分析结果不准确。

（2）支架初增阻速度作为工作面来压判据，可以在很大程度上降低支架初撑力较低的影响，能够更真实地反映出工作面顶板活动的剧烈程度，从而对综放工作面来压与否能够进行更准确的判断。