王坡煤矿半孤岛综放工作面矿压规律研究

徐仪昌

（山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021）

现阶段我国厚煤层开采普遍采用综合机械化放顶技术。放顶煤开采时，工作面推进速度较快，工作面内矿压显现剧烈，常面临采场围岩的控制难题，掌握工作面周期来压规律对于采场围岩的控制具有重要的意义。目前王坡矿及周边矿井对沁水煤田厚煤层的开采多采用综采放顶煤为主。沁水煤田3#煤层煤体较为破碎，在工作面回采过程中，顶板冒顶和煤壁片帮事故频发，严重影响着矿井的安全高效生产。为此，王坡煤矿3209 工作面回采期间实时记录液压支架工作阻力的变化，通过统计计算得到基本顶周期来压的规律，掌握支架的适应性，为王坡煤矿综放工作面顶板压力的有效控制提供依据。

1 工程概况

1.1 矿井地质特征

山西天地王坡煤业有限公司王坡煤矿井田位于山西省晋城市西北部的王坡村以西，距晋城市约25km，是沁水煤田樊庄勘探区的一部分。即将回采的3209 工作面东侧为3207 工作面采空区，留设15m 保护煤柱；西侧设计工作面尚未开采；3209工作面南部与3 条开拓大巷连通。3 号煤层平均厚5.76m，顶底板具体的岩性特征如表1 所示。图1为3209 工作面与3210 工作面的相对位置的采掘工程平面图。由图可知，两工作面距离较近，最短的直线距离仅为539m，且地质条件较为相似。3209工作面一侧与采空区相邻，属于典型的半孤岛工作面，因此以3209 工作面为研究背景，来指导3210工面的回采具有重要意义。

表1 3209 工作面顶底板岩性特征

1.2 工作面支架设备信息

王坡煤矿3209 工作面采用走向长壁采煤法，综采放顶煤采煤工艺，工作面割煤高度为2.9m。工作面基本支架确定为ZF8000/17/32 型低位放顶煤液压支架，工作面共布置115 架。该种液压支架的相关参数：型式为低位放顶煤液压支架，中心距1500mm，宽度1410～1580mm，初撑力6180kN（P=31.5MPa），工作阻力8000kN（P=40.8MPa），泵站压力31.5MPa，移架步距800mm。

图 1 工作面相对位置的采掘工程平面图

2 支架压力观测方法及测点布置

采用KJ21B 矿山压力监测系统（B/S 版）监测王坡煤矿3209 工作面液压支架工作阻力[1]。工作面中部采用ZF6000/17/32H 型液压支架，端头采用ZFG6400/18/32 型液压支架。矿压报告时间从2018 年9 月27 日开始，截至2018 年11 月9 日。KJ21B 矿山压力监测系统结构如图 2 所示。3209 工作面共布置了12 台支架压力记录仪，分别安装在4#、14#、24#、34#、44#、54#、64#、74#、84#、94#、104#、114#。

图 2 KJ21B 矿山压力监测系统结构

3 顶板来压显现分析

为根据支架工作阻力随工作面推进度变化情况得到工作面的矿压显现规律，以液压支架的循环末阻力的平均值和均方差的和作为工作面来压的判据，数据计算公式为[2]：

表2 各支架来压判据

如表2、表3 所示结果可以看出，各个液压支架工作阻力的平均值差异较大，各个支架的工作阻力的均方差较大，液压支架工作阻力存在较大波动，工作面基本顶来压期间，多数支架工作阻力明显增大，来压明显。由表3 所示工作面周期来压步距可以看出：3209 工作面从2018 年9 月27 日到2018年11 月5 日经历了周期来压7 次，其中，来压步距最小为10.1m，最大为21.0m，平均来压步距为13.4m，工作面周期来压具有明显的规律性。

表3 基本顶初次来压及周期来压步距（m）

4 支架工作阻力分布及适应性分析

4.1 支架工作阻力分布

对工作面所有实测支架工作阻力数据进行统计分析，如图 3 所示，液压支架理想的工作状态要求其工作阻力在各区间所占的百分比呈正态分布[3]。由图可知，液压支架工作阻力一定程度上符合正态分布，支架工作阻力处于5000kN 以下的工作时间占整个工作时间的98.17%，支架工作阻力处于5000kN 以上的工作时间占整个工作时间的1.76%，支架工作阻力很少有达到5000kN。由此可知，支架的工作阻力鲜有超过其额定工作阻力的情况，现有液压支架能够满足工作面采场围岩支护的要求，且存在一定的富余量。

图 3 支架工作阻力分布图

4.2 支架适应性分析

参考大量的相关文献，液压支架工作阻力随时间的变化规律可总结为以下几种类型[4-5]：a.急增阻—微增阻；b.急增阻—微增阻—急增阻；c.无急增阻阶段；d.初撑—降阻—微增阻。如图4 所示，a 一次急增阻式表明液压支架初撑力设计偏小，对于顶板的支撑力减小，顶板快速下沉，使支架的工作阻力迅速增大，直至支撑力达到顶板支撑的要求，支架工作阻力开始缓慢增大；b 二次急增阻型式，支架初撑力略小于顶板平衡所需的支撑力，顶板下沉导致支架工作阻力快速增大，但是支架工作阻力增幅较小；c 微增阻式和d 降阻式支架工作状态表明支架初撑力过大，支撑后顶板立即达到相对的平衡状态。

图 4 支架工作阻力—时间曲线

3209 工作面液压支架工作状态统计结果如图5所示。70%左右液压支架的工作状态属于a 一次、b 二次急增阻式，此时多为顶板来压期间；支架工作状态属于c 微增阻式约占12%，此时多为工作面非来压期间；支架工作状态为降阻式约占18%，此时多为工作面非来压期间。综上可知，王坡煤矿3209 综放工作面液压支架初撑力设计偏低。

图 5 支架工作特性

5 结论及建议

（1）3209 工作面从2018 年9 月27 日到2018年11 月5 日平均经历了7 次周期来压，周期来压步距最小为10.1m，最大为21.0m，平均13.4m，工作面来压较为剧烈，具有明显的周期性。

（2）实测工作面支架工作阻力处于5000kN 以下的工作时间占整个工作时间的98.24%，5000kN以上的工作时间占1.76%，支架处于一次或二次增阻类型占70%。表明支架额定工作阻力能够满足工作面正常开采时支护顶板的要求，同时还有一定富余，但是液压支架初撑力偏低。

（3）3209 工作面液压支架工作阻力能够满足采场围岩控制的要求，顶板冒顶和煤壁片帮事故频发主要由于初撑力偏低，3210 工作面回采期间应适当地提高支架初撑力，保证支护质量，确保工作面的安全高效生产。