掌石沟煤业15102工作面矿压特征及支架合理性分析

2019-10-11毕学钢

煤 2019年9期

毕学钢

(山西煤炭运销集团掌石沟煤业公司，山西高平 048400)

1 工程概况

山西煤炭运销集团掌石沟煤业现开采15号煤层，煤层结构较简单，厚度为3.96～4.1 m，平均4.03 m，含1～2层夹矸，倾角为0～6°。煤层直接顶为0.25 m厚的砂质泥岩，老顶为7.9 m厚的K2灰岩；直接底为4.3 m厚的含铝质泥岩，老底为4.55 m厚的砂质泥岩。煤层整体形态为北高南低、西高东低的单斜构造，局部有小褶曲，总体倾向南东20°，走向北东70°。15102工作面位于井田西部，是一采区的第二个工作面，工作面东部为实体煤，西部为15101采空区，南部与采区三条大巷相连，北部相距114 m为矿井边界。根据巷道揭露的地质资料，15102工作面周围无陷落柱和大断层出现，但局部有小褶曲，煤层有较小起伏。工作面采用走向长壁综合机械化一次采全高采煤法，选用ZZ8200/22/45型四柱支撑掩护式液压支架76架，ZZG8800/22/45型过渡支架6架。

2 矿压观测及显现规律研究

2.1 矿压观测目的及测站布置

为了掌握15102工作面回采过程中的矿压显现规律以及支架的适应性，对液压支架的工作阻力、工作面老顶初次来压以及周期来压步距进行了观测分析。本次观测采用KJ504矿压监测系统进行，在工作面布置三个测站，其中1测站分别在8号、11号、14号支架安装压力传感器进行测量，代表工作面上部；2测站分别在35号、38号、41号支架安装压力传感器，代表工作面中部位置；3测站分别在65号、68号、71号支架安装压力传感器，代表工作面下部。每班读取记录一次数据，存储在KJ504矿压监测系统中，以备后期分析。矿压观测站布置见图1。

图1 工作面矿压观测站布置

2.2 支架工作阻力观测结果分析

本文对工作面推进115 m后3个测站的实测数据进行了归纳、整理、分析，绘制出了工作面不同推进距离时各测站液压支架的工作阻力，如图2-图4。

图2 1测站工作阻力随工作面推进距离变化

由图2可得，在回采初期即30.8～46.6 m支架工作阻力相对较低，最大值为32.3 MPa，而伴随着老顶初次来压，在工作面回采至47.6～55.6 m之间，支架工作阻力快速增大，最大达到了44.7 MPa，随后工作面回采到中部阶段即55.6～87.6 m之间，支架工作阻力下降，期间随着周期来压工作阻力有所起伏，但起伏不大，在工作面回采至88.6～112 m之间时，工作阻力起伏相对较大，期间最大达到了42.4 MPa；可以发现整个回采过程中1号测站支架工作阻力在回采阶段的前段和后段波动较大，而中部阶段较为平稳的原因是当回采到中部时，中部支架起主要支撑作用，而前部支架相对受力较小。

图3 2测站工作阻力随工作面推进距离变化

由图3可知，整个曲线前后柱工作阻力相差较为明显，其中前柱工作阻力相对较大，后柱工作阻力较低，平均工作阻力基本上都小于额定工作阻力。在推进距离为50.6～55.6 m时，后柱的工作阻力达到峰值为47.3 MPa，发现大于额定阻力，这是因为老顶初次来压导致局部支架工作阻力增大；在推进距离为30～40 m时，前后柱工作阻力都小于35 MPa；推进距离在67.6～112 m之间，前后柱工作阻力之间差距明显变大，在104 m左右时，最大相差40 MPa，可以看出此时前柱发挥主要支撑作用，在推进距离为90～112 m之间时，支架工作阻力有所降低。综上所述，在工作面中部液压支架前后柱工作阻力在工作面回采过程中相差较大，表明随着周期来压，工作阻力波动较大，运行不平稳，而且整个回采过程中中部支架工作阻力都相对较大，表明中部矿压较为剧烈。

图4 3测站工作阻力随工作面推进距离变化

由图4可知，在工作面推进30.8～48.6 m之间，支架工作阻力相对平稳，起伏不大；在回采至49.6～88.6 m之间，曲线起伏明显，在此期间老顶初次来压以及周期来压导致支架工作阻力变动较大，其中最大工作阻力接近40.7 MPa；在回采至89.6～112 m时，期间曲线又发生了两次较大的起伏，最大工作阻力达到了38.3 MPa，这是因为期间发生了两次周期来压。通过对3测站液压支架工作阻力的观测可得，伴随着回采过程的进行，支架工作阻力因为顶板来压发生了明显的起伏，另外从曲线峰值点可以看出最大值为40.7 MPa，与中部支架工作阻力相比较低。

综上所述，1测站最大平均工作阻力达到峰值为42.4 MPa，2测站最大平均工作阻力达到峰值为43.3 MPa，3测站最大平均工作阻力达到峰值为39.6 MPa，从三条曲线来看虽然有个别点的工作阻力超过了额定阻力，但是其整体工作阻力依然在额定工作阻力之下，另外从3个测站所绘曲线的变化情况来看，矿压总体规律为工作面中部矿压较两端强烈。

3 老顶周期来压观测及支架适应性分析[1-2]

3.1 老顶周期来压判据

为了了解回采过程中的上覆岩层运动规律，并分析老顶的动态演变，采用矿压观测中经常使用的数理统计对老顶周期来压步距进行判据，具体可由下列公式进行判据：

根据3个测站的观测，利用公式对数据进行整理汇总，进而得到如图5所示的支架平均工作阻力和老顶来压判据。

图5 支架平均工作阻力和老顶来压判据

由图5可以看出，当推进到50.6 m时老顶初次来压，随着工作面的深入推进，老顶来压又呈现周期性的变化，推进到61.4 m时发生第一次周期来压，推进到74.5 m时发生第二次周期来压，推进到85.7 m时发生第三次周期来压，推进到94.8 m时发生第四次周期来压，推进到104.7 m时发生最后一次周期来压，从中可以看出最大周期来压步距为13.1 m，最小周期来压步距为9.1 m；总体显现中间阻力大两边小，其中支架平均工作阻力在中部的增大也说明了老顶对工作面的压力增大，进而导致支架承受力增大。

为了进一步判断老顶周期来压强度，通常使用动载系数来衡量老顶周期来压的强度，为此用下列公式对数据进行整理分析可得到不同周期来压的动载系数。

式中：q为动载系数；p老为老顶周期来压期间所测得的平均工作阻力，即支架的平均荷载；p平为非周期来压期间所测得的平均工作阻力。

根据观测所得数据，对各个阶段的动载系数进行计算整理得到表1工作面来压特征。

表1 工作面来压特征

由表2可以看出，动载系数最小值为1.25，最大值为1.39，平均1.32左右，根据该矿以往经验及工作面地质条件，正常情况下该工作面动载系数应控制在1.02～1.28之间，1.32相对与正常工作面的动载系数较大，表明支架初撑力设置相对过低。

3.2 支架适应性分析

掌石沟煤业15102工作面选用的支架型号为ZZ8200/22/45型，支撑高度为2.2～4.5 m，额定工作阻力为41.7 MPa，初撑力为31.5 MPa，为了对支架的合理性进行分析，通过对工作面回采过程中支架的初撑力和工作阻力的分布频率进行分析，得到了不同区间支架初撑力及工作阻力的分布如图6、图7所示。

图6 工作面支架初撑力频率分布直方

图7 工作面支架工作阻力频率分布直方

由图6可以看出，支架初撑力大部分分布在5～25 MPa之间，占据了所测总数的78.3%，而初撑力在25～35 MPa之间的支架仅为总量的10.9%，30～35 MPa之间仅占所测总数的3.8%，平均初撑力仅为16 MPa，为额定初撑力的50.1%，可见支架初撑力偏低。由图7可得，支架工作阻力在20～25 MPa的占所测总数的21%，25～30 MPa占据所测总数的23%，40～45 MPa区间支架数仅占所测总数的5.1%，工作阻力在0～40 MPa之间的支架占所测总数的94.9%，平均支架阻力为32.1 MPa，占额定工作阻力的76.1%，可以看出额定工作阻力还有一定的富裕。