特厚煤层放顶煤工作面矿压显现基本规律研究

李昂

（大同煤矿集团有限责任公司技术中心 山西大同 037003）

1 引言

大同煤矿集团有限责任公司基于最大限度地利用有限资源和企业可持续发展的需要，进行了20多年的综放开采技术攻关，从20世纪80年代末的侏罗纪上分层综采自动铺网，下分层高位放顶煤开采试验到一次采全高高位、中位、低位放顶煤开采，下分层低位放顶煤，最终探索出一套适用于特厚煤层的安全高效放顶煤开采技术[1]。厚煤层综放开采矿压显现规律一直是放顶煤开采研究的重要内容。

由于采用厚煤层放顶煤开采，超前支承压力影响范围增大，致使工作面前方顶煤超前破碎，在工作面来压时，经常出现机道上方冒顶和煤壁片帮现象，处理顶煤冒落费工费时，导致工作面推进速度很慢。揭示工作面矿压规律对保障工作面安全、高效的开采十分必要[2]。

目前综放面普遍使用的四柱式放顶煤液压支架前后立柱受力不均衡、工作阻力利用率低。受放煤工序的影响，支架后柱阻力常常降为零，由此引起的顶板事故时有发生[3]。这表明现用的高阻力支架并不能保证是高可靠性支架。所以，如何利用矿压规律来提高液压支架可靠性的问题有待解决。

本文将针对上述两个问题展开研究，分析现场监测数据，获得矿压显现基本规律与支架阻力变化情况。

2 工作面概况

研究数据采取于同忻矿8202工作面，该面对应地面标高为1 192 m～1 307 m，工作面标高790 m～815 m，盖山厚度377 m～517 m。北部与西8101 工作面相邻，现工作面平均已回采65.6 m。

东部为实煤区，南部至北二盘区三条盘区大巷。西部为8203回采工作面采空区，8202工作面上覆为同家梁、永定庄侏罗系各可采煤层采空区，下部14#层到3-5#煤层层间距105 m～185 m，见图1，图2。

图1 二盘区8202工作面布置图

图2 二盘区8202工作面上下位置关系对照图

煤层厚度13.61 m～28.92 m，平均厚度15.26 m，其中夹矸1.96 m。煤层为复杂结构，煤层含夹石层8 层左右，夹石厚度最小0.12 m，最大0.35 m，平均0.25 m，煤层结构 为 2.80（0.35）0.95（0.25）3.65（0.24）2.64（0.20）1.88（0.28）2.60（0.12）1.84（0.32）0.80（0.20）1.46，见图3，图4。

图3 回风巷揭煤剖面

图4 运输巷揭煤剖面

3 工作面矿压显现规律研究

为了掌握工作面矿压显现基本规律，在工作面第8#～108#组支架间每 10 组布置一台监测分站，共 11 台监测分站，通过对监测数据的整理与分析，揭示了工作面来压显现规律。

矿压监测期间，工作面共推进131 m，共计172 个作业循环，实测165个循环，漏7个循环。以各循环实测末阻力平均值加一倍均方差Sp，作为判断顶板初次来压和周期来压的判断依据，即满足公式：

式中，Pti为各循环的实测末阻力；n为实测循环数；P′为周期来压支架工作阻力。

根据支架的循环末阻力曲线（见图5），可以得到8202工作面初次来压步距与周期来压步距，统计结果见表1，表2。

表1 工作面支架来压步距统计

表2 工作面顶板来压特征

结合表1、表2 可知，自工作面初采至矿压观测结束，在此期间工作面经历了顶板初次来压，8次周期来压；工作面来压期间，支架的平均工作阻力平均为9 516 kN，为支架额定工作阻力的63.5%，所受最大工作阻力为14 813 kN，为支架额定工作阻力的98.8%，说明了ZF15000/27.5/42 型正四连杆低位放顶煤支架在8202工作面具有良好的适应性和使用效果；工作面上部平均动载系数达到了2.1，18#支架动载系数更是高达2.4，28#支架受力特点与18#支架存在相似之处。

4 放煤前后支架阻力分析

为了分析综放工作面液压支架在放煤前与放煤后支架前后柱的受力变化情况，结合现场三轮放煤模式，即从工作面端部开始，分3轮进行放顶煤，当第1轮进行放顶煤结束后，从工作面起始放煤侧打开第2 轮的放煤口，当第2轮进行放顶煤结束后，从工作面起始放煤侧打开第3轮的放煤口。下面将针对压力监测仪采集的较为典型的压力值进行前后柱受力分析，以了解其变化规律，如下图所示。

图6 放煤第一轮前后柱工作阻力曲线

图7 未放煤第二轮前后柱工作阻力曲线

图8 放煤第三轮前后柱工作阻力曲线

由于工作面不断向前推进，液压支架也随之不断处于“降架—移架—升架”的循环之中，加之顶板也是在不断地运动之中，因而液压支架的承载是一个动态过程。

支架前后柱压力值在放煤前后具有如下规律：

（1）在移架升起达到初撑力后，支架的前后柱受力随着顶板的不断下沉，均呈近线性增阻状态；

（2）在放煤过程中，支架的前后柱支护阻力都有不同程度的降低，后柱降阻程度高于前柱。

（3）放煤结束后，随着时间的推移，支架前后柱受力均开始逐渐增大。

5 结论

通过对同忻煤矿8202 工作面不同放煤阶段矿压监测，分析了综放工作面液压支架在放煤前与放煤后支架前后柱的受力变化情况，揭示了其矿压显现规律及放煤过程中支架前后柱压力变化规律，得出如下结论：

（1）综放工作面初采期顶板来压活动频繁，来压步距较短，来压强度大。工作面上部顶板平均初次来压步距、平均周期来压步距和平均来压动载系数都大于工作面中部和下部，而且工作面下部最小，工作面上部支架载荷受力存在不均匀现象。

（2）支架在推进过程中，其后柱受到阻力一般小于前柱；在来压时，前后柱阻力均增大，但是前柱增加程度小于后柱；在放煤工作期间，前后柱阻力均减小，前柱减小程度小于后柱；放煤完成后，前后柱阻力逐渐增大。