坚硬顶板综放工作面矿压特征与支架阻力分析

白鹏程

（山西焦煤西山煤电官地矿，山西 太原 030022）

坚硬顶板是我国许多煤矿开采过程中遇到的难题之一。坚硬顶板往往会带来比较剧烈的矿压显现现象，对工作面设备、回采巷道稳定性及人员安全产生较大影响。工作面液压支架适应性代表着支架-围岩关系，也代表了对工作面顶板的控制作用，对于坚硬顶板工作面，液压支架的适应性与可靠性对工作面矿压显现起着重要作用[1-2]。

目前国内外学者对坚硬顶板矿压特征进行了大量研究[3-5]。霍丙杰等人对坚硬顶板矿压显现影响因素及条件进行了分析，建立了坚硬顶板厚煤层采场矿压显现分级预测指标体系。于斌等人对坚硬顶板围岩大结构运动产生的矿压显现现象进行了实测，提出采用水力压裂技术对顶板进行卸。张宏伟等人对浅埋深坚硬顶板矿压显现规律进行了实测研究，并对液压支架的合理选型方法进行了确定。

为确定坚硬顶板条件下工作面液压支架选型的合理性，以山西斜沟煤矿23110综放工作面坚硬顶板条件为背景，采用理论计算、现场实测方法对坚硬顶板强矿压特征进行了分析，并对液压支架的合理选型进行了探讨，以实现对工作面围岩的有效控制。

1 工程背景

斜沟煤矿23110工作面开采煤层为13#煤，煤层厚度平均为14.5 m，为近水平煤层，煤层结构复杂，属于全区稳定可采煤层。23110工作面为综放工作面，割煤高度为3.8 m，放煤高度为10.7 m。工作面顶底板岩性如图1所示。从图中可以看出，工作面基本顶岩性主要为中砂岩，厚度平均为7.4 m，根据矿井地质说明书，该岩层强度较高，普氏强度在6～8范围内。工作面中间架型号为ZF15000/26/40，共布置有134架，液压支架参数如表1所示。

图1 23110工作面顶板柱状图

表1 液压支架参数

2 矿压显现特征

针对23110工作面基本顶岩性为中砂岩，岩层厚度平均为7.4 m，岩层普氏强度在6～8范围内，属于坚硬岩层顶板。为确定23110工作面液压支架选型合理性，对23110工作面回采期间矿压特征进行了实测，监测距离为200 m。

2.1 液压支架工作阻力监测

采用ZVDC型液压支架监测系统对支架工作阻力进行监测。23110工作面共安装13个监测测站，每隔10架安装一台测站，其中1#～4#测站为工作面上部区域监测测点，5#～9#测站为工作面中部区域监测测点，10#～13#为工作面下部区域监测测点。图2为工作面回采期间的液压支架平均工作阻力曲线变化图。从图2（a）中可以看出，工作面上部区域推进至32.9 m时，液压支架工作阻力出现了明显的上升，表明此时工作面出现了初次来压现象。随后在推进的过程中，工作面上部区域陆续出现7次周期来压，来压步距平均为23.4 m，动载系数平均为1.31。从图2（b）中可以看出，工作面中部区域推进至29.8 m时出现了初次来压现象，后续推进过程中共发生8次周期来压，来压步距平均为20.5 m，动载系数平均为1.24。从图2（c）中可以看出，工作面下部区域推进至31.8 m时出现了初次来压现象，后续推进过程中共发生7次周期来压，来压步距平均为22.7 m，动载系数平均为1.28。

图2 液压支架工作阻力曲线

综上分析，23110工作面初次来压步距平均为31.5 m，周期来压步距平均为22.2 m，动载系数平均为1.28。23110工作面来压步距整体较大，矿压显现规律表现为工作面两端来压步距大，来压更剧烈，表明工作面两端头顶板相比于工作面中部更难垮落。

2.2 工作面初撑力监测

对13个测站初撑力进行监测，23110工作面平均初撑力监测曲线如图3所示。ZF15000/26/40型液压支架额定初撑力为12 820 kN，从图中可以看出，工作面所有液压支架初撑力未达到额定初撑力，按照额定初撑力的80%计算，符合要求的液压支架占比为59.4%。该结果表明，工作面推进过程中，液压支架初撑力大多未达到要求。由于液压支架初撑力能够有效为顶板提供主动支撑力，有利于控制煤壁片帮现象的出现，因此需注意在移架操作中要充分发挥支架性能。

图3 液压支架平均初撑力曲线

为有效提高支架初撑力，工作面推进过程中需采取措施：

（1）支架移架后升起的过程中，保证支架顶部能够完全接顶，保证支架支撑效果；

（2）支架升起过程中，确保支架压力达到要求再停止升架；

（3）加强支架的日常检修，确保支架活柱完好不漏液，并及时对支架立柱补液，提高其初撑力。

3 支架适应性分析

3.1 合理工作阻力

采用方差分析法对支架额定工作阻力进行计算。方差分析法为选用液压支架观测数据的1倍方差作为合理的支架额定工作阻力，计算公式[6]为：

F =+σF

根据工作面监测数据，来压期间液压支架的工作阻力平均为13 549 kN，方差为1 079 kN，额定工作阻力为14 625 kN，该结果小于ZF15000/26/40液压支架的额定工作阻力为15 000 kN设计参数值，表明现有支架是能够满足使用要求的。

3.2 支架工作阻力频率

根据23110工作面回采期间的工作阻力情况，可以看出，工作面回采过程中每个循环的液压支架工作阻力是不同的，两端液压支架工作阻力较大于工作面中部液压支架，因此工作面不同区域液压支架对顶板的支撑作用也有着一定的差异。图4为液压支架工作阻力加权平均值频率分布图，从图中可以看出，工作面液压支架工作阻力大多分布在10 000～13 000 kN内，占比约为65%，工作阻力大于15 000 kN的占比约为2%。综上分析表明，液压支架工作阻力大部分未超过支架的额定工作阻力，支架工作阻力能够满足要求。

图4 液压支架工作阻力频率分布

4 结论

1）坚硬顶板工作面来压步距整体较大，23110工作面初次来压步距平均为31.5 m，周期来压步距平均为22.2 m，动载系数平均为1.28；矿压显现规律表现为工作面两端来压步距大，来压更剧烈，工作面两端头顶板相比于工作面中部更难垮落。

2）工作面推进过程中，液压支架初撑力大多数未能达到要求；按照额定初撑力的80%计算，符合要求的液压支架占比只有59.4%，支架初撑力不足。

3）采用方差分析法对支架额定工作阻力进行计算，工作面支架额定工作阻力为14 625 kN；验证ZF15000/26/40液压支架选型比较合理。