中硬厚煤层“孤岛、综放”面矿压分析研究

王  涛    解士安

（山西朔州平鲁区龙矿大恒煤业有限公司 山西 朔州 036800 龙矿集团梁家煤矿 山东 龙口265701）

摘要： 42111工作面为龙矿集团大恒煤业首次采用放顶煤支架进行综放开采的“孤岛”工作面。在硬顶板、厚煤层放顶煤开采条件下，大恒煤业通过精心组织、科学施工，克服了设备陈旧、支架支护阻力低、初次来压显现强烈和周期来压显现明显等困难，按期完成了42111工作面回采生产。在42111面生产过程中，我矿按预定规划，对42111面进行了矿压观测，取得了大量的现场观测数据，总结出了中硬厚煤层“孤岛”、“综放”采场矿压显现规律，为类似条件下的孤岛工作面开采提供了参数依据。

【关键词】  厚煤层、孤岛、综采放顶煤、矿压分析

通过对42111综放孤岛工作面的回采实践，使我们对中硬厚煤层孤岛工作面开采有了进一步的研究，通过对该工作面矿压观测对比分析及规律总结，及时采取措施对工作面进行支护及加固，保证了工作面正常回采。

1. 工作面基本概况

工作面北侧为与兴陶矿边界保护煤柱，边界外兴陶矿4-1号煤和4-2号煤已经回采；南侧为铁佐沟村保护煤柱及东翼皮带大巷、东翼回风大巷，西侧为42110工作面采空区，东侧为42112工作面采空区及DF2断层，工作面上方为41111、41110、41101、41102、41103工作面采空区。工作面面长135.6m,推进长度为662.5m。

1.1 顶底板及覆岩条件

顶底板情况见表1.1。

表1-1  42111工作面煤层顶底板情况表

1.2 巷道布置

42111顺槽胶带巷

工作面西侧为胶带顺槽，采用锚网索联合支护，矩形断面,净宽4.6m,净高3.0m，沿煤层底板施工。

42111顺槽轨道巷

工作面东侧为轨道顺槽, 采用锚网索联合支护，矩形断面,净宽4.0m，净高3.0m，沿煤层底板施工。

42111切眼

切眼净长135.6m，采用锚网索联合支护，矩形断面,净宽8m，净高3.0m，沿煤层底板施工。

1.3 工作面主要装备及回采工艺

工作面采煤机采用MG500/1180-WD型双滚筒采煤机，滚筒直径为2m，采高2.8～3.0m，循环进度为0.8m。

采用ZF8000/18/35型放顶煤液压支架支护顶板，工作阻力为8000KN；支护强度为0.97MPa ；对底板比压为1.12～2.48MPa。采用尾梁升降和插板伸缩放顶煤，放煤高度2.2m,采放比为1:0.59。采取一采一放，采放平行作业的方式进行回采，放顶煤步距为0.8m。 工作面推出切眼后进行初次放煤。

前、后部刮板输送机采用SGZ-800/800（双中链）型。

1.4 工作面回采情况

42111面于2017年10月3日开始安装，11月15日开面生产，截止至2018年5月10日夜班结束，42111面推进了662.5m，期间经历了老顶初次来压和36次周期来压。

2. 矿压观测的目的、内容及观测方法

2.1观测目的

根据观测结果，分析“孤岛”“综放”工作面上覆岩层的运动规律；顶煤的破碎和垮落规律；工作面支架载荷特征和其他的矿山压力显现现象，评价既定条件下“综放”支架的适应性，运用矿压观测与研究成果，指导综放工作面的正常生产。

2.2 矿压观测内容

42111工作面的矿压观测主要内容有：支架工作阻力观测、支架活柱缩量观测、巷道围岩变形观测和矿压显现现象统计。

2.3 观测方法

⑴ 支架工作阻力观测

采用FCH32/0.2矿用本安型手持采集器配合YHY60（B）矿用本安型数字压力计对42111工作面液压支架工作阻力进行监测。在工作面上、中、下部均匀布置6条观测线,观测支架前、后柱工作阻力的变化情况。测线布置：分别设置在15#、30#、37#、45#、53#、60#支架上。由技术人员负责采集数据,连续观测支架的初撑力、工作阻力，采集器携带至井上后通过无线通讯适配器将数据自动地传送到PC计算机处理。

⑵ 支架活柱缩量观测

工作面活柱缩量观测布置于中部30#、37＃支架，采取三班跟班观测，每半小时采用钢卷尺测量测一次活柱高度，测量数据由专门技术人员进行统计并进行分析。

⑶ 统计观测

沿工作面采煤机移动方向每隔10架作为一观测剖面，早班观测人员每天统计一次端面顶板的破碎及煤壁的片帮情况(包括梁端距、片帮、冒高超过0.5m以上的区域及顶板破碎情况)、统计支架安全阀开启率、顶煤冒落状况和支架因顶板压力损坏的部件等，对宏观矿压显现进行详实记录和现场描述。升井后，及时将工作面当日的情况反馈到技术科，并填写到汇报台帐上。

⑷ 巷道围岩变形观测

距42111工作面100m范围内，在回风巷、运输巷、中间巷每隔20m设置一个测区，用测尺和测枪测量巷道受采动影响过程中的顶底板及两帮移近量，每两天观测一次，根据观测时间可算出移近速度。根据观测数据，分析42111工作面超前支承压力波及的范围、超前支承压力需要控制的范围。

3. 工作面覆岩运动规律实测分析

3.1 直接顶初次垮落

42111工作面于2017年11月16日中班开始联合试运转。11月20日中班工作面推进为14.1m（从切眼后帮计算），经观察，工作面5#~40#支架后方大部分从切顶线位置开始冒落，ZF8000/18/35型放顶煤液压支架控顶距为5.3m，计算直接顶初次垮落步距约为7.7ｍ。推进 15 m后工作面顶板全部垮落，除两端后巴子外，直接顶随移架而冒落，无悬顶现象，采空区冒落比较充分。

3.2 工作面初次来压步距及“三量”观测分析

根据42111综放工作面推进过程中的支架活柱下缩速率和时间加权工作阻力监测数据变化分析，认为42111工作面初次来压步距为48m，初次来压持续时间较长、显现较为明显，来压时支架工作阻力上升，动载系数为1.92。

 3.2.1 初次来压前后支架活柱下缩变化　

工作面推进过程中，支架活柱下缩速率波动变化是分析工作面来压指标的主要判据之一。

根据对工作面中部测区支架前后立柱活柱高度变化观测，在11月26日工作面推进50个循环开始，所观测的30、37#支架活柱下缩速率开始明显升高，前立柱下缩速率由压前的平均0.8mm/h升高到53mm/h，后立柱下缩速率由原来的平均0.6mm/h升高到48.5mm/h。初次来压持续到11月29日早班结束，工作面推进距离为54.8m（从切眼后帮计算）。来压期间，30#、37#支架前、后立柱循环平均缩量分别为203.5mm、191mm，最大为310mm。支架在支撑状态下前、后立柱平均下缩速率分别为53mm/h、48.5mm/h，最大为116mm/h。初次来压完成后，活柱下缩速率明显降低，前、后立柱平均下缩速率分别为8.4mm/h、8.2mm/h，工作面中部测区活柱缩量变化统计见表3-1、3-2、3-3、3-4。

图3－1为42111面初次来压期间推进位置与活柱下缩速率关系曲线。

图3－1

3.2.2 工作面推进方向上，初次来压前后支架工作阻力变化　

⑴ 时间加权工作阻力

① 依据时间加权阻力变化，确定初次来压步距

时间加权工作阻力不仅取决于循环内支架工作阻力的各个变量值，而且受各变量值重复出现的频数大小的影响，如果某一组的频数较大，说明该组的数据较多，那么该组数据的大小对时间加权工作阻力的影响就大。因此，时间加权工作阻力是权衡支架工作状态的重要指标，也是分析工作面来压指标的重要判据之一。

根据安装的数字压力计记录数据，计算出各测线每个循环的时间加权工作阻力值。选取具有代表性的30、45#支架的2条测线，做出30#、45#架在工作面初次来压前后时间加权工作阻力变化与循环关系曲线。

从记录数据的分析可以得出：

30#支架测线在工作面推进第50个循环后，单柱时间加权工作阻力由来压前的588.4KN/柱，升高到1134.3KN/柱，之后开始波动变化，至第58个循环工作面推进到46.8m后，支架阻力开始下降。

45#支架测线在工作面推进第50个循环后，单柱时间加权工作阻力由来压前的681.4KN/柱，升高到1136.2KN/柱，之后开始波动变化，至第58个循环工作面推进到46.8m后，支架阻力开始下降。

数字压力计记录的数据变化上升变化区间与立柱下缩速率变化的区间完全吻合，故判断42111工作面初次来压步距为48m。

② 时间加权工作阻力与额定工作阻力比较

来压前，单柱时间加权平均工作阻力为632.9KN/柱，合成整架时间加权平均工作阻力为2539.6KN/架，占额定工作阻力8000KN的31.7%。来压期间，单柱时间加权平均工作阻力为1135.3KN/柱，合成整架时间加权平均工作阻力为4541KN/架，占额定工作阻力8000KN的56.7%。

表1为30#、45#架测线来压前后时间加权平均工作阻力与额定工作阻力比较表。

表1

⑵ 初撑力、循环内最大工作阻力

① 初撑力

初撑力是支架主动支撑顶板的力，与工作面顶板压力大小没有直接关系。根据统计支架的初撑力一般在2264.24KN~2765KN（18MPa~22MPa）之间，平均为2509KN（20.0MPa）占额定初撑力3945KN的63.6%。

② 循环内最大工作阻力

根据30#、37#、45#测线统计，来压前，循环内最大工作阻力的平均值为2806KN，占额定工作阻力的71.1%。来压期间，循环内最大工作阻力的平均值为5236KN，占额定工作阻力的113.8%。

3.2.3 平行工作面方向，初次来压前、后支架工作阻力分布　

⑴ 平行工作面方向，初次来压前支架工作阻力分布

通过对工作面支架（共50部支架）前后立柱压力进行统计计算，初次来压前，工作面中部支架工作阻力略高于两端。工作面中部（25#~50#）支架平均工作阻力为2096.7KN，是运输巷侧（10#~25#）平均工作阻力1780.5KN的1.18倍，是回风巷侧（51#~60#）平均工作阻力1781.5KN的1.18倍。图3—4为初次来压前平行工作面方向支架载荷分布趋势图。

图3-2

⑵ 平行工作面方向，初次来压期间支架工作阻力分布

通过对工作面单号支架前后立柱压力进行统计计算，初次来压期间，由于老顶岩梁在工作面中部首先裂断，工作面中部支架工作阻力明显高于两端。工作面中部（25#~50#）支架平均工作阻力为3694.4KN，是运输巷侧（4#~19#）平均工作阻力2998.6KN的1.23倍，是回风巷侧（51#~69#）平均工作阻力3360.3KN的1.1倍。图3—3为初次来压期间平行工作面方向支架载荷分布趋势图。图3-3

⑶ 初次来压动载系数

初次来压期间，工作面中部（25#~50#）支架平均工作阻力为3694.4KN，占额定工作阻力的80.3%，初次来压前，中部（21#~59#）支架平均工作阻力为2096.7KN，故判断工作面中部动载系数为1.76。

同理，运输巷侧动载系数为1.68，回风巷侧动载系数为1.89。

3.2.4初次来压期顶板沉降变化

在工作面初次来压前，机采高度为2.9—3.0m，顶板沉降值微乎其微，支架大立柱需拔出3节加长杆支撑顶板。11月26日工作面初次来压之后，从5时30分至15时30分。18#—57#架范围顶板沉降量达到900mm以上，造成工作面过机高度不足，无法进行正常回采，图3—4为初次来压前工作面顶板及支架支护状态示意图。图3—5为初次来压期间工作面顶板及支护状态示意图。

3-4

3-5

4. 工作面顶板压力及显现分析

4.1 初次来压时工作面顶板压力与矿压显现

42111面于11月16日中班开始回采，11月26日夜班2时，回风巷侧推进了40.2m（距切眼后帮48.2m，距中间巷1.0m），工作面顶板压力开始显著增大，上覆岩层在煤壁前方开始断裂、沉降、来压。工作面初次来压之后，5时30分～10时30分，工作面中部支架对应的17#～57＃架范围支架立柱下降回缩超预期严重，给工作面正常回采巷造成了前所未有的困难。

4.2 来压时工作面顶板压力分析

在工作面进入来压初期，裂断老顶的一端通过直接顶，将部分载荷作用到顶煤和支架上。此时，支架荷载主要有三部分构成，即老顶施加的部分载荷Q₁，直接顶自重Q₂和部分顶煤重量Q₃，即支架载荷为：

Q=Q₁+Q₂+Q₃

初次来压期间在顶板压力作用下，支架前后立柱工作特性全部开启呈“卸载让压”的运转状态，且安全阀的开启一直呈现大流量“卸载”状态。在支架安全阀达到开启状态后，支架处于卸载“让压”工作，无法根据支架承载大小对工作面顶板压力变化进行分析。为了分析采场顶板载荷情况，我们取初次来压前期循环内立柱安全阀开启前的分段数据，作为顶板压力变化分析的依据。

①首先对工作面支架压力监测数据管理系统中的运行日记进行查询，得出来压期间的原始数据表，如图4－1所示。

② 然后根据原始数据，做出顶板压力P与时间变量t之间关系的散点图，从图上可以看出，t与P之间大致呈幂函数曲线形式，因此建立顶板压力适用的幂函数模型

P＝a×t ^b

将模型转化为标准的线性回归模型后，应用最小二乘法计算得到顶板压力与时间变量的回归方程：

P＝2013.3×t ^0.3142 

③ 按循环时间200分钟计算，则顶板对支架的载荷Pc＝2013.3×200 ^0.3142＝10638.8（KN/架）

初次来压强度P_初次为：

P_初次＝Pc/（B×L）

式中：B——为支护宽度，取1.5m；

      L——为控顶距，取ZF4600/17/32型支架4.648m。

P_初次＝10638.8/（1.5×4.62）＝1525.9（KN/m²）=1.53MPa

5. 结论

⑴ 经实测分析，42111工作面推进过程中，初次来压步距为48m，中部动载系数为1.92。周期来压步距为11m～23m，平均为15.6m，周期来压步距为初次来压步距的1/2～1/4。

⑵ 工作面初次来压前，整架时间加权平均工作阻力为2539.6KN/架，占额定工作阻力8000KN的31.7%。来压期间，整架时间加权平均工作阻力为4541KN/架，占额定工作阻力8000KN的56.7%，循环内最大工作阻力的平均值为5326KN，占额定工作阻力的66.5%。来压期间，工作面中部支架载荷明显高于两端，是两端的1.64～1.72倍。支架通过老顶岩梁断裂线后，支架阻力明显降低。

⑶ 根据实测分析，按采煤工作面顶板在开采过程中表现的稳定程度进行划分，42111工作面直接顶为Ⅱ类中等稳定顶板，老顶为来压显现强烈的Ⅲ级老顶。

⑷ 受多种因素影响，42111工作面中部受向斜轴影响，工作面老顶初次来压显现十分明显。根据实测数据分析，初次来压期间，采场顶板压力达到了1.53MPa，支架在支撑状态下活柱下缩速率可达116mm/h，工作面中部顶板沉降量达到900mm以上，造成工作面过机高度不足，无法进行正常回采。从使用情况来看，42111综放面所选用的ZF8000/18/35型放顶煤支架支护强度较低。

⑸ 42111工作面回采初期超前支撑压力波及的范围为超前工作面30～50m，支承压力峰值为超前工作面6～10m范围。

⑹ 从目前矿压观测情况来看，42111外面周期来压步距为11m～23m，由于周期来压步距的离散性较大，预计在工作面末采期间，很难将工作面停采位置避开老顶的周期来压。