高 峰，趙鐵林

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

煤層群開采涉及的研究?jī)?nèi)容較多，包括上下行開采的合理選擇，層間距和層間巖性對(duì)工作面設(shè)計(jì)及設(shè)備選型的影響，不同層間距、不同賦存狀況和開采條件(煤柱下開采、采空區(qū)下開采)對(duì)下部煤層工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律影響較大。目前，采礦研究人員利用理論分析[1]、數(shù)值模擬[2-5]、相似模擬[6-7]和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[8]等多種手段分析了煤層群開采條件下的覆巖破斷運(yùn)移特征和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

朔州煤電礦區(qū)主采石炭系煤層群3號(hào)、5號(hào)和8號(hào)煤層的礦井較多，研究此區(qū)域多煤層開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律較少，本文基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，依托南陽(yáng)坡煤礦8807綜放工作面，分析距上部已采3號(hào)煤層24m的5號(hào)煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

1 8807綜放工作面概況

南陽(yáng)坡煤礦8807綜放工作面地面標(biāo)高1428～1480m，平均1454m。8807工作面位于408盤區(qū)東部，北部是408盤區(qū)巷道，西部為8805工作面，東部為礦界實(shí)煤區(qū)，南部為早期掘進(jìn)的盤區(qū)巷。開采5號(hào)煤層，工作面標(biāo)高1128～1258m，平均1193m，埋深170～352m，平均261m。工作面可推進(jìn)走向長(zhǎng)度1300m，傾向長(zhǎng)度180m，傾角平均3°，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾有3～7層炭質(zhì)泥巖，厚度在0.05～0.94m左右，煤層總厚度10.79～14m，平均12.3m。工作面設(shè)計(jì)采高3.6m，放煤高度8.7m，采放比1∶2.42。

直接頂為5～9m的砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)膠結(jié)，質(zhì)軟，易風(fēng)化，具水平層理，層差狀斷口，斷口見少許植物化石碎片?；卷敒?0m厚左右的粗砂巖，成份以石英為主，長(zhǎng)石次之，泥質(zhì)膠結(jié)，厚層狀，質(zhì)地堅(jiān)硬。基本頂之上為3號(hào)煤層。直接底為4.4m厚的砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)膠結(jié)，質(zhì)軟，易風(fēng)化，垂直裂隙發(fā)育，具水平層理含少量黃鐵礦碎片。工作面配置ZF13000/25/38T型中間支架、MG650/1620-WD型雙滾筒采煤機(jī)、SGZ1200/2×855型后部刮板輸送機(jī)、SGZ1000/2×700型前部刮板輸送機(jī)。

2 8807綜放工作面礦壓觀測(cè)方案

8807工作面推進(jìn)距離較長(zhǎng)，為了有針對(duì)性地掌握工作面推進(jìn)過程中的頂板運(yùn)移來壓規(guī)律，分析工作面液壓支架的運(yùn)行狀況，評(píng)價(jià)支架適應(yīng)性，采用GPD60礦用本安型壓力傳感器，在8807工作面每間隔5個(gè)液壓支架安設(shè)一部YHY60(A)型礦用本安型數(shù)字壓力計(jì)，即分別監(jiān)測(cè)分析5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95，100號(hào)共20個(gè)支架的工作阻力變化，及時(shí)反映支架的初撐力和工作阻力，以便規(guī)范工作面支架工標(biāo)準(zhǔn)操作支架、維護(hù)支架，最終達(dá)到科學(xué)管理頂板的目的。

3 8807綜放工作面周期來壓分析

提取礦壓數(shù)據(jù)庫(kù)中壓力數(shù)據(jù)，經(jīng)篩選選取出工作面推進(jìn)度從1000～1300m區(qū)間內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的支架編號(hào)為5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95，100號(hào)，以工作面推進(jìn)度為橫坐標(biāo)，循環(huán)末阻力為縱坐標(biāo)，生成液壓支架循環(huán)末阻力隨工作面推進(jìn)度的變化曲線。

基本頂來壓分析以支架的平均循環(huán)末阻力與其均方差之和作為判斷頂板來壓的主要指標(biāo)。數(shù)據(jù)計(jì)算的公式為：

(1)

表1 8807工作面周期來壓判據(jù)

依據(jù)液壓支架與工作面的相對(duì)位置，認(rèn)為5，10，15，20，25，30號(hào)液壓支架處于工作面上部位置，40，45，50，60，65，70號(hào)液壓支架處于工作面中部位置，80，85，90，95，100號(hào)液壓支架處于工作面下部位置，選取具有代表性的工作面上部、中部和下部位置對(duì)應(yīng)處的液壓支架工作面曲線，如圖1～圖3所示。

圖1 5號(hào)支架循環(huán)末阻力曲線

圖2 70號(hào)支架循環(huán)末阻力曲線

圖3 95號(hào)支架循環(huán)末阻力曲線

統(tǒng)計(jì)分析得到工作面上部周期來壓步距最小為6.6m，最大為20.8m，平均12.6m。工作面中部周期來壓步距最小為5.2m，最大21.2m，平均12.8m。工作面下部周期來壓步距最小為5m，最大23.7m，平均12.9m。工作面下部頂板周期來壓步距要高于工作面上部和中部，整個(gè)工作面基本頂周期來壓步距在5～23.7m之間，平均約為12.7m。分析結(jié)果如表2所示。

表2 各支架基本頂周期來壓步距 m

工作面推進(jìn)1000～1150m時(shí)，工作面周期來壓和非來壓期間液壓支架工作阻力區(qū)分度較為明顯，工作面來壓顯現(xiàn)較為明顯；工作面推進(jìn)1150～1300m時(shí)，工作面周期來壓顯現(xiàn)較為強(qiáng)烈，液壓支架工作阻力普遍較高，高于其他期間的周期壓力循環(huán)工作阻力值。結(jié)合圖1可以綜合得到，在推進(jìn)方向上，周期來壓呈現(xiàn)出多個(gè)平緩周期后會(huì)發(fā)生一次較強(qiáng)的現(xiàn)象，生成三維線框圖如圖4所示。

圖4 8807工作面周期來壓工作阻力三維分布

通過對(duì)比基本頂周期來壓期間和來壓之前的支架循環(huán)末阻力，可以得到周期來壓的強(qiáng)度指標(biāo)值，即動(dòng)載系數(shù)：

N=Pt,m/Pt,n

(2)

式中，Pt,m表示基本頂來壓期間的循環(huán)末阻力，Pt,n表示基本頂來壓前的支架循環(huán)末阻力。

統(tǒng)計(jì)如表3所示，基本頂來壓最大動(dòng)載系數(shù)為1.71，最小為1，來壓平均動(dòng)載系數(shù)為1.27。

4 8807綜放工作面液壓支架適應(yīng)性分析

南陽(yáng)坡煤礦開采多個(gè)煤層，開采上部煤層時(shí)，覆巖先前未受采動(dòng)影響，未發(fā)生大范圍的損傷破斷運(yùn)移。上部煤層回采后，覆巖層發(fā)生運(yùn)移，采場(chǎng)應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移、疊加和衰減等現(xiàn)象。在下部煤層回采時(shí)，上覆巖層將發(fā)生二次運(yùn)移，工作面礦山壓力顯現(xiàn)將不同于普通工作面?；夭蛇^程中遇到上部存有遺留煤柱時(shí)，礦山壓力顯現(xiàn)程度明顯增強(qiáng)，安全閥開啟率將明顯增加；遇到上部為采空區(qū)時(shí)，礦山壓

表3 基本頂歷次來壓期間動(dòng)載系數(shù)

力顯現(xiàn)較為平緩；在遺留煤柱和采空區(qū)中間的過渡階段，礦山壓力顯現(xiàn)相對(duì)較弱。下部煤層綜放工作面實(shí)現(xiàn)安全高效開采，選擇合適的液壓支架，能夠適應(yīng)本地區(qū)本煤層綜放開采顯得尤為重要。下面主要從支架工作阻力頻率分布、初撐力水平和前后立柱受力特征3個(gè)方面去評(píng)價(jià)8807綜放工作面液壓支架的適應(yīng)性。

4.1 液壓支架工作阻力頻率分布

以工作面回采時(shí)期支架工作阻力在各區(qū)間段占的百分比為準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并以直方圖形式進(jìn)行表達(dá)，選取具有代表性的25號(hào)支架進(jìn)行分析。如圖5所示。

圖5 液壓支架工作阻力頻率分布

分析圖5可知，在統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)，各支架工作阻力分布基本符合正態(tài)分布，各支架的工作阻力大部分處于7000～12000kN。對(duì)比工作面上部、中部、下部工作阻力，得知一個(gè)區(qū)域內(nèi)的支架工作阻力分布相近，而工作面中部的支架工作阻力明顯大于工作面上部和下部，工作面中部的支架工作阻力多集中于11000～12000kN。

4.2液壓支架初撐力分析

8807工作面回采期間初撐力統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。工作面上部初撐力平均6090.8kN，中部初撐力平均7208kN，下部初撐力平均5904.8kN。工作面中部初撐力明顯大于上部和下部的初撐力。整個(gè)工作面初撐力平均為6401kN，約為支架額定初撐力的63.4%。

圖6 液壓支架初撐力分布

4.3 前后立柱受力均衡性分析

南陽(yáng)坡礦8807綜放工作面采用的ZF13000/25/38T系列四柱式液壓支架，工作阻力為13000kN，立柱缸徑相同，每根柱子的額定工作阻力為3250kN。一個(gè)記錄儀有2個(gè)通道，分別監(jiān)測(cè)支架的前柱和后柱，對(duì)各架的立柱循環(huán)末阻力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，再對(duì)統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)的循環(huán)末阻力求平均值，即定義為平均循環(huán)末阻力，綜合說明支架立柱的受力情況，繪成直方圖，如圖7所示。

圖7 40號(hào)支架前后立柱受力統(tǒng)計(jì)

分析得到，各支架前后柱受力比較均勻，前柱受力平均28.67MPa，后柱平均25.68MPa；前柱與后柱受力的比值最小86.53%，出現(xiàn)在95號(hào)支架，最大123.95%，出現(xiàn)在70號(hào)支架，平均111.64%?？梢娭Ъ芮爸c后柱受力均勻且差別較小。

5 結(jié) 論

(1)南陽(yáng)坡煤礦8807綜放工作面開采5號(hào)煤層，基本頂周期來壓步距最小為5m，最大為23.7m，受到上覆已采3號(hào)煤層的影響，下部的基本頂周期來壓步距大于中部和上部，整個(gè)工作面基

本頂周期來壓步距平均約為12.7m。

(2)工作面基本頂周期來壓最大動(dòng)載系數(shù)為1.71，最小為1，周期來壓平均動(dòng)載系數(shù)為1.27。

(3)工作面各支架工作阻力分布基本符合正態(tài)分布，大部分處于7000 ～12000kN。工作面中部的支架工作阻力明顯大于上部和下部，多集中于11000～12000kN。

(4)工作面中部初撐力明顯大于上部和下部的初撐力，初撐力平均為6401kN，約為支架額定初撐力的63.4%。

(5)各支架前后柱受力比較均勻，差別較小。前柱受力平均28.67MPa，后柱平均25.68MPa，前柱與后柱受力比值平均111.64%，液壓支架總體適應(yīng)性較好。