新景矿8128 综采工作面覆岩运动规律及支架适应性分析

王晓汉

（华阳集团新景公司，山西 阳泉 045000）

1 概况

新景矿8218 工作面井下位于8 号煤芦南区北翼采区，东为8127 工作面（已掘），南为8 号煤芦南区北翼采区大巷，西为8129 工作面（未掘），北为525 水平中条带大巷。工作面开采8 号煤层，煤层平均厚度为2.94 m，平均倾角为6°，煤层顶板岩层为泥岩和中粒砂岩，底板岩层为砂质泥岩和细砂岩，具体煤层顶底板岩层特征见表1。8218 工作面采用综合机械化开采方法，工作面安装1 部SGZ-800/800Q 型刮板输送机，148 组ZY5000-16/35 型支架，采用MG300/700-WD 型采煤机落煤和装煤，开采高度2.94 m，循环步距0.8 m。为掌握工作面矿压规律，进行回采期间压力显现规律和支架适应性的分析。

表1 煤层顶底板岩层特征Table 1 Characteristics of roof and floor strata in coal seam

2 覆岩运动规律分析

为有效分析8218 工作面回采期间顶板垮落规律，根据8218 工作面的地质条件，采用RFPA 数值模拟软件进行覆岩运动规律的分析，建立数值模型，限制模型X 方向的位移，模型Y 轴方向施加上覆岩层荷载[1-2]，模型在网格划分为X×Y=400 m×250 m，共计划分10 000 个单元网格，设置工作面每次回采长度为2 m，工作面在回采不同长度下覆岩运动规律如图1 所示。

图1 工作面回采不同长度下覆岩运动规律Fig.1 Movement law of rock under different mining length in working face

分析图1 可知，8218 工作面回采推进15 m时，工作面上方的直接顶岩层开始垮落，岩层的垮落高度为0.5～1 m，随着工作面回采作业的持续进行，基本顶悬顶面积逐渐增大，直至工作面回采41 m 时，基本顶出现初次垮落，岩层的垮落高度约为15 m。当工作面回采推进52 m 时，工作面出现第一次周期来压现象，基本顶的周期来压步距约为11 m，且垮落的岩层块度较大；当工作面回采推进62 m 时，工作面基本顶出现第二次周期来压现象，来压步距为10 m。

综合上述分析能够得出，工作面直接顶和基本顶的初次垮落步距分别为15 m 和41 m，垮落高度分别为0.5～1 m 和10～15 m，基本顶初次来压后，平均周期来压步距约为12.43 m，垮落高度平均为15 m。

3 矿压显现规律及支架适应性

3.1 矿压显现规律

8218 工作面回采期间，通过液压支架工作阻力的监测，分析回采期间工作面的矿压显现规律，在工作面内根据与运输巷距离不同设置3 个测站，其中1 号测站布置在距运输巷20 m，2 号测站距运输巷110 m，3 号测站距运输巷200 m，其中2 号测站布置在工作面中部，其与1 号测站和3 号测站间的距离均为90 m，每个测站内分别进行3 个液压支架工作阻力的监测。另外在工作面回采期间，在两巷超前20 m 的范围内布置围岩变形观测站，超前巷道围岩表变形量采用十字布点法进行围岩变形观测[3-4]，具体工作面测站布置方式如图2 所示。

图2 工作面测站布置方式示意Fig.2 The layout of working face station

工作面回采期间，通过持续对3 个测站支架工作阻力的监测分析，能够得出测站内液压支架的工作阻力曲线，1 号测站代表工作面上部区域，2 号测站代表工作面中部区域，3 号测站代表工作面下部区域，每个测站内3 组支架的工作阻力曲线基本一致，现取每个测站内一台支架的工作阻力曲线进行分析，具体工作面不同区域支架工作阻力曲线如图3 所示。

图3 工作面回采期间液压支架工作阻力曲线Fig.3 Working resistance curve of hydraulic support during working face mining

通过分析图3 可知，8218 工作面回采期间覆岩运动规律呈现为工作面中部的来压强度大于工作面上部和下部，基本顶初次来压前，支架额定初撑力为31.5 MPa，在工作面回采推进42.1 m 时，基本顶出现初次来压下降，但支架的工作阻力变化情况并不明显，表明基本顶的初次破断对支架工作阻力的影响较小；但在基本顶周期来压期间，液压支架工作阻力呈现出明显的变化，特别在工作面回采到50～60 m 时，工作面由于一些因素，回采推进速度慢，工作面内液压支架呈现出长时间承载的特征，工作阻力也相应增大，局部存在支架工作阻力超出额定阻力的现象，另外根据工作面回采期间的现场观测结果可知，工作面顶板关键层的破断遵循“O-X”破断规律，工作面在上部、中部和下部3个区域内的破断具有一定的时序性。

综合8218 工作面回采期间液压支架的工作阻力曲线，结合相关研究结果和规范，计算基本顶周期来压步距的公式如下[5-6]：

根据工作面回采期间液压支架的监测数据，确定工作面基本顶的来压判据为37 MPa，具体工作面回采期间基本顶来压情况如图4 所示。

结合工作面回采期间的现场观测情况可知，工作面回采推进42.1 m 时，支架工作阻力明显增大，顶板下沉量大幅增加，基于上述特征判定基本顶的初次来压步距为42.1 m，根据图4 和现场情况可知，基本顶初次来压后，随着工作面回采作业的进行，基本顶出现了7 次周期来压，每次来压步距均在8.9～15.3 m，得出周期来压平均步距为12.03 m。通过对基本顶来压期间的来压强度与来压判据对比分析可知，来压期间的动载系数为1.15～1.40，基本顶来压期间来压强度不高，未出现明显的周期来压现象，综合工作面各阶段来压期间的情况，确定工作面顶板管理难度属于中等水平。

图4 工作面基本顶来压判据Fig.4 The weighting criterion diagram of basic roof of working face

综合上述分析可知，工作面液压支架来压情况与数值模拟得出的基本顶来压步距结果基本相同，综合数值模拟和支架工作阻力的监测结果，确定基本顶初次来压和周期来压步距分别为42.1 m 和12.03 m，周期来压期间的平均动载系数为1.15～1.40。

3.2 支架工作阻力分析

根据回采期间液压支架工作阻力的监测数据，绘制出支架初撑力、工作阻力的直方图，如图5所示。

图5 液压支架初撑力及工作阻力分布直方图Fig.5 Histogram of initial support force and working resistance distribution of hydraulic support

工作面回采期间液压支架的额定初撑力为31.5 MPa，分析图5（a）可知，回采期间初撑力达标的支架仅占到5%，液压支架额定初撑力达到额定初撑力80%的仅占到25%，据此可知工作面回采期间支架初撑力普遍不足，需加强支架初撑力的管理。分析图5（b）可知，工作面来压期间支架达到额定工作阻力的架次占到11%，且无支架压死现象出现；当工作面在未来压期间，工作面内液压支架的工作阻力大部分处于初撑力以下。

综合上述分析可知，ZY5000-16/35 型液压支架可满足工作面回采使用要求，工作面回采期间无活柱下缩量过大现象，支架适应性好，但支架初撑力存在严重不足现象，需要加强支架初撑力的管理作业。

4 结语

根据8218 工作面煤层赋存及开采条件，通过数值模拟得出回采期间覆岩的运动规律，结合工作面回采期间支架工作阻力的监测结果，确定基本顶初次和周期来压步距分别为42.1 m 和12.03 m；ZY5000-16/35 型液压支架整体适应性好，支架存在的主要问题为回采期间初撑力不足。