天安煤矿20104 工作面矿压显现规律及支架适应性分析

贾 俊 英

（阳泉煤业集团天安煤矿，山西 忻州 034000）

1 工程概况

阳泉煤业集团天安煤矿有限公司20104 放顶煤工作面位于井田西南部，西北为201 采区下山（二段），西南至矿界，东南为老空区及其隔离煤柱，东北为201 采区泵房、水仓及201 采区下山（一段）。工作面开采2# 煤层，工作面+1383～+1447m，对应位置地面标高+1500～+1582，工作面开采2#煤层，煤层平均8.0m，煤层中间夹有1～5 层0.1～0.5m 的炭质泥岩夹矸，为简单～复杂结构煤层，煤层平均倾角为13°，煤层顶底板岩层特征如表1。

20104 工作面采用综合机械化放顶煤采煤方法，采煤机采用MG300/730-QWD 型大倾角无链电牵引采煤机，采煤高度2.5m，放煤步距0.6m，工作面配置中间液压支架ZF5600/17.5/28 型48 架，支架初撑力为4900kN，额定工作阻力为5600kN，工作面两端头配置过渡架ZFG6400/20/32 型6 架，其中机头3 架，机尾3 架，现为分析工作面回采期间的矿压规律及支架的适应情况，特进行研究分析。

表1 煤层顶底板情况表

2 矿压显现规律

为研究分析20104 综采工作面的覆岩运动规律，在工作面回采期间，分别在工作面上部、中部和下部布置支架监测站[1-3]，监测回采期间液压支架的工作阻力，其中工作面上部监测布置在20#液压支架，工作面中部监测布置在56#液压支架，工作面下部布置在86#支架。根据工作面回采期间的监测结果，得出工作面不同区域液压支架的工作状态如下：

1）工作面上部区域。根据矿压监测结果得出，工作面回采期间液压支架时间加权工作阻力随着推进距离间的变化如图1 所示。

图1 工作面上部20#液压支架时间加权工作阻力曲线图

分析图1 可知，工作面上部区域基本顶的平均周期来压步距为16.9m，来压的范围约为5.5m，液压支架时间加权阻力的平均动载系数为1.13，工作面回采期间支架的时间加权工作阻力平均为4536.6kN，占到额定工作阻力的81.0%。

2）工作面中部区域。根据工作面回采期间中部56#液压支架工作阻力的监测结果，得出如图2 所示液压支架循环末阻力和时间加权工作阻力曲线图。

图2 工作面中部56#液压支架时间加权工作阻力曲线图

分析图1 可知，工作面上部区域基本顶的平均周期来压步距为22m，来压的范围约为7.9m，液压支架时间加权阻力的平均动载系数为1.19，工作面回采期间支架的时间加权工作阻力平均为4427.4kN，占到额定工作阻力的79%。

3）工作面下部区域。根据工作面回采期间86#支架的监测结果得出支架时间加权工作阻力曲线如图3 所示。

图3 工作面下部86#液压支架时间加权工作阻力曲线图

分析图3 可知，工作面上部区域基本顶的平均周期来压步距为16.4m，来压的范围约为5.7m，液压支架时间加权阻力的平均动载系数为1.37，支架的时间加权工作阻力平均为5084.5kN，占到额定工作阻力的90.8%。

基于上述分析可知，20104 工作面回采期间，工作面上部区域、中部区域和下部区域的平均周期来压步距分别为16.9m、21.9m 和18.4m，来压的影响范围分别为5.5m、7.9m 和5.7m 动载系数分别为1.28、1.74 和1.32，根据该数据可知，工作面采动影响下的动载系数表现为工作面两端头大、中部小的特征，且工作面顶板的周期来压步距和来压范围同样也表现为两端大、中间小的特征。

3 支架适应性分析

为充分分析20104 工作面厚煤层综放开采方式下，ZF5600/17.5/28 型液压支架的工作特性，现根据液压支架初撑力与循环末阻力间的相关性分析及支架支护阻力的频率分布特征进行分析。

3.1 支架初撑力与循环末阻力间相关性分析

综放工作面开采过程中，液压支架的初撑力对顶煤的运动特性产生较大程度的影响，若支撑力不合适（过大或过小）时，此时工作面进行综放作用时会增大其可能出现的冒顶次数[4-6]，现通过分析液压支架循环末阻力与初撑力之间的曲线关系，判断支架初撑力的合理与否，以此了解液压支架与工作面围岩间的关系，并通过分析数据，合理调整支架的初撑力，以实现工作面顶煤的稳定，确保工作面的安全回采。

根据工作面回采期间液压支架的工作阻力监测数据，通过统计分析能够得出工作面上部、中部和下部区域的支架初撑力与循环末阻力之间的曲线关系如图4 所示。

图4 支架循环末阻力与初撑力数据关系拟合图

通过具体分析图4 可知，20104 工作面液压支架循环末阻力与初撑力之间的参数关系R2＜0.3，基于该数据可知支架这两项参数间呈现为低度相关的特性，故现为充分保障工作面回采期间的覆岩顶板的稳定，需调整支架的初撑力以充分提高其对顶板的支撑能力；另外通过提升支架的初撑力能够对顶煤和直接顶形成一定的支撑，故合理的初撑力对于综放工作面顶板的控制较为重要。

3.2 支架支护阻力频率分析

在20104 工作面回采过程中，液压支架的工作阻力会在每个单独的回采循环内受到各种因素的影响而产生一定的变化，基于上述分析可知，工作面两端头的来压强度相对较大，且在工作面倾斜方向上液压支架对于顶板的支护作用也会呈现一定的差异，进而表现为工作面不同区域液压支架的工作阻力会发生一定程度的变化。根据工作面回采期间液压支架的监测结果，得出工作面不同区域液压支架时间加权阻力分布特征如图5 所示。

图5 工作面不同区域时间加权阻力分布直方图

分析图5（a）可知，工作面回采期间，工作面上部区域的支架的时间加权阻力最主要分布在3000～6000kN 的区间内，占到统计量的99.5%，其中支架时间加权支护阻力又主要落在4000～500kN 范围内，占到统计量的50.26%；支架时间加权支护阻力超过支架额定支护阻力的比例约达到1%。分析图5（b）可知，工作面中部时间加权支护阻力同样主要分布在3000～6000kN 的范围内，但中部区域液压支架工作阻力超过额定工作阻力的比例达到9.5%；分析图5（c）可知，工作面下部液压支架时间加权工作阻力在3000～6000kN 范围内的分布较为均匀，下部支架加权阻力超过额定工作阻力的占比为6%。

基于上述分析可知，20104 工作面回采期间，液压支架工作阻力呈现出中间大两端小的分布特征，ZF5600/17.5/28 型液压支架在工作面的上部、中部和下部区域超出额定工作阻力的比例分别达到1%、9.5%和6%，据此可知该支架的额定工作阻力偏小，工作面回采期间存在一定的压架危险性，且该支架在工作面中部区域的适应性相对较差，故应在工作面来压期间加强液压支架的管理，液压泵站提供充足的压力，以充分保障支架的安全。

4 结 论

通过在20104 工作面回采期间进行液压支架工作阻力特征的监测分析，分析支架时间加权工作阻力与推进距离曲线间的关系得出工作面的周期来压步距为16.9～21.9m，工作面动载系数表现为工作面两端头大、中部小的特征；基于支架适应性的分析，得出液压支架工作阻力呈现为中间大、两端小的特征，ZF5600/17.5/28 型液压支架额定工作阻力偏低，回采期间存在支架工作阻力超出额定工作阻力的现象，故在工作面来压期间应加强液压支架的管理，以保障工作面的安全回采。