堅(jiān)硬頂板綜放工作面礦壓特征與支架阻力分析

白鵬程

（山西焦煤西山煤電官地礦，山西 太原 030022）

堅(jiān)硬頂板是我國許多煤礦開采過程中遇到的難題之一。堅(jiān)硬頂板往往會(huì)帶來比較劇烈的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，對工作面設(shè)備、回采巷道穩(wěn)定性及人員安全產(chǎn)生較大影響。工作面液壓支架適應(yīng)性代表著支架-圍巖關(guān)系，也代表了對工作面頂板的控制作用，對于堅(jiān)硬頂板工作面，液壓支架的適應(yīng)性與可靠性對工作面礦壓顯現(xiàn)起著重要作用[1-2]。

目前國內(nèi)外學(xué)者對堅(jiān)硬頂板礦壓特征進(jìn)行了大量研究[3-5]。霍丙杰等人對堅(jiān)硬頂板礦壓顯現(xiàn)影響因素及條件進(jìn)行了分析，建立了堅(jiān)硬頂板厚煤層采場礦壓顯現(xiàn)分級預(yù)測指標(biāo)體系。于斌等人對堅(jiān)硬頂板圍巖大結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)測，提出采用水力壓裂技術(shù)對頂板進(jìn)行卸。張宏偉等人對淺埋深堅(jiān)硬頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了實(shí)測研究，并對液壓支架的合理選型方法進(jìn)行了確定。

為確定堅(jiān)硬頂板條件下工作面液壓支架選型的合理性，以山西斜溝煤礦23110綜放工作面堅(jiān)硬頂板條件為背景，采用理論計(jì)算、現(xiàn)場實(shí)測方法對堅(jiān)硬頂板強(qiáng)礦壓特征進(jìn)行了分析，并對液壓支架的合理選型進(jìn)行了探討，以實(shí)現(xiàn)對工作面圍巖的有效控制。

1 工程背景

斜溝煤礦23110工作面開采煤層為13#煤，煤層厚度平均為14.5 m，為近水平煤層，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。23110工作面為綜放工作面，割煤高度為3.8 m，放煤高度為10.7 m。工作面頂?shù)装鍘r性如圖1所示。從圖中可以看出，工作面基本頂巖性主要為中砂巖，厚度平均為7.4 m，根據(jù)礦井地質(zhì)說明書，該巖層強(qiáng)度較高，普氏強(qiáng)度在6～8范圍內(nèi)。工作面中間架型號為ZF15000/26/40，共布置有134架，液壓支架參數(shù)如表1所示。

圖1 23110工作面頂板柱狀圖

表1 液壓支架參數(shù)

2 礦壓顯現(xiàn)特征

針對23110工作面基本頂巖性為中砂巖，巖層厚度平均為7.4 m，巖層普氏強(qiáng)度在6～8范圍內(nèi)，屬于堅(jiān)硬巖層頂板。為確定23110工作面液壓支架選型合理性，對23110工作面回采期間礦壓特征進(jìn)行了實(shí)測，監(jiān)測距離為200 m。

2.1 液壓支架工作阻力監(jiān)測

采用ZVDC型液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)對支架工作阻力進(jìn)行監(jiān)測。23110工作面共安裝13個(gè)監(jiān)測測站，每隔10架安裝一臺(tái)測站，其中1#～4#測站為工作面上部區(qū)域監(jiān)測測點(diǎn)，5#～9#測站為工作面中部區(qū)域監(jiān)測測點(diǎn)，10#～13#為工作面下部區(qū)域監(jiān)測測點(diǎn)。圖2為工作面回采期間的液壓支架平均工作阻力曲線變化圖。從圖2（a）中可以看出，工作面上部區(qū)域推進(jìn)至32.9 m時(shí)，液壓支架工作阻力出現(xiàn)了明顯的上升，表明此時(shí)工作面出現(xiàn)了初次來壓現(xiàn)象。隨后在推進(jìn)的過程中，工作面上部區(qū)域陸續(xù)出現(xiàn)7次周期來壓，來壓步距平均為23.4 m，動(dòng)載系數(shù)平均為1.31。從圖2（b）中可以看出，工作面中部區(qū)域推進(jìn)至29.8 m時(shí)出現(xiàn)了初次來壓現(xiàn)象，后續(xù)推進(jìn)過程中共發(fā)生8次周期來壓，來壓步距平均為20.5 m，動(dòng)載系數(shù)平均為1.24。從圖2（c）中可以看出，工作面下部區(qū)域推進(jìn)至31.8 m時(shí)出現(xiàn)了初次來壓現(xiàn)象，后續(xù)推進(jìn)過程中共發(fā)生7次周期來壓，來壓步距平均為22.7 m，動(dòng)載系數(shù)平均為1.28。

圖2 液壓支架工作阻力曲線

綜上分析，23110工作面初次來壓步距平均為31.5 m，周期來壓步距平均為22.2 m，動(dòng)載系數(shù)平均為1.28。23110工作面來壓步距整體較大，礦壓顯現(xiàn)規(guī)律表現(xiàn)為工作面兩端來壓步距大，來壓更劇烈，表明工作面兩端頭頂板相比于工作面中部更難垮落。

2.2 工作面初撐力監(jiān)測

對13個(gè)測站初撐力進(jìn)行監(jiān)測，23110工作面平均初撐力監(jiān)測曲線如圖3所示。ZF15000/26/40型液壓支架額定初撐力為12 820 kN，從圖中可以看出，工作面所有液壓支架初撐力未達(dá)到額定初撐力，按照額定初撐力的80%計(jì)算，符合要求的液壓支架占比為59.4%。該結(jié)果表明，工作面推進(jìn)過程中，液壓支架初撐力大多未達(dá)到要求。由于液壓支架初撐力能夠有效為頂板提供主動(dòng)支撐力，有利于控制煤壁片幫現(xiàn)象的出現(xiàn)，因此需注意在移架操作中要充分發(fā)揮支架性能。

圖3 液壓支架平均初撐力曲線

為有效提高支架初撐力，工作面推進(jìn)過程中需采取措施：

（1）支架移架后升起的過程中，保證支架頂部能夠完全接頂，保證支架支撐效果；

（2）支架升起過程中，確保支架壓力達(dá)到要求再停止升架；

（3）加強(qiáng)支架的日常檢修，確保支架活柱完好不漏液，并及時(shí)對支架立柱補(bǔ)液，提高其初撐力。

3 支架適應(yīng)性分析

3.1 合理工作阻力

采用方差分析法對支架額定工作阻力進(jìn)行計(jì)算。方差分析法為選用液壓支架觀測數(shù)據(jù)的1倍方差作為合理的支架額定工作阻力，計(jì)算公式[6]為：

F =+σF

根據(jù)工作面監(jiān)測數(shù)據(jù)，來壓期間液壓支架的工作阻力平均為13 549 kN，方差為1 079 kN，額定工作阻力為14 625 kN，該結(jié)果小于ZF15000/26/40液壓支架的額定工作阻力為15 000 kN設(shè)計(jì)參數(shù)值，表明現(xiàn)有支架是能夠滿足使用要求的。

3.2 支架工作阻力頻率

根據(jù)23110工作面回采期間的工作阻力情況，可以看出，工作面回采過程中每個(gè)循環(huán)的液壓支架工作阻力是不同的，兩端液壓支架工作阻力較大于工作面中部液壓支架，因此工作面不同區(qū)域液壓支架對頂板的支撐作用也有著一定的差異。圖4為液壓支架工作阻力加權(quán)平均值頻率分布圖，從圖中可以看出，工作面液壓支架工作阻力大多分布在10 000～13 000 kN內(nèi)，占比約為65%，工作阻力大于15 000 kN的占比約為2%。綜上分析表明，液壓支架工作阻力大部分未超過支架的額定工作阻力，支架工作阻力能夠滿足要求。

圖4 液壓支架工作阻力頻率分布

4 結(jié)論

1）堅(jiān)硬頂板工作面來壓步距整體較大，23110工作面初次來壓步距平均為31.5 m，周期來壓步距平均為22.2 m，動(dòng)載系數(shù)平均為1.28；礦壓顯現(xiàn)規(guī)律表現(xiàn)為工作面兩端來壓步距大，來壓更劇烈，工作面兩端頭頂板相比于工作面中部更難垮落。

2）工作面推進(jìn)過程中，液壓支架初撐力大多數(shù)未能達(dá)到要求；按照額定初撐力的80%計(jì)算，符合要求的液壓支架占比只有59.4%，支架初撐力不足。

3）采用方差分析法對支架額定工作阻力進(jìn)行計(jì)算，工作面支架額定工作阻力為14 625 kN；驗(yàn)證ZF15000/26/40液壓支架選型比較合理。