3206工作面矿压显现及端面顶板控制研究

郑强英

（山西乡宁焦煤集团台头煤焦有限责任公司，山西 临汾 042100）

为了缓解采掘接替紧张的局面，我国煤矿采区一般采用跳采的方式。通过间隔一个工作面的煤柱可以减少回采对巷道掘进的影响，有利于巷道的维护，但最终会形成一个两侧采空的孤岛工作面。理论研究和现场观测均表明，孤岛工作面的矿压显现剧烈，巷道变形、端面失稳等现象严重[1-5]。台头煤业3206工作面为孤岛工作面，回采初期煤壁片冒频发，支架挤架咬架严重，因此开展孤岛工作面矿压观测和端面控制研究，对实现矿井的安全生产具有重要意义。

1 工程概况

1.1 地质条件

山西台头煤业3206工作面位于三采区北翼，埋藏深度500～610 m，开采2号煤，煤层均厚3.0 m，结构简单，含有1～2层夹矸，煤层倾角5°～16°，平均10°。煤层顶底板岩性如图1。

图1 2号煤顶底板岩性

1.2 生产条件

三采区北翼采用的是间隔跳采的方式，3206工作面东西两侧为采空区，南侧为采区大巷，北侧为采区边界。工作面采用综合机械化走向长壁开采，全部垮落法处理顶板。工作面倾斜长度168 m，走向长度1350 m，主要设备见表1。液压支架的中心距为1.5 m，工作阻力6000 kN，初撑力5064 kN，支护强度为0.8～0.92 MPa，采用本架操作的方式。

表1 3206工作面主要设备

1.3 存在的问题及原因

3206工作面回采之后工作面片帮、冒顶次数显著增加，多次发生支架挤架、咬架现象，推进速度缓慢，对生产造成了严重的影响。分析原因主要有以下几个方面：

（1）液压支架受力状态复杂

3206工作面倾角大，造成支架切向分力增大，支架下滑的趋势增大。在端面破碎或冒顶区域，支架更容易发生失稳，这导致工作面支架的受力状态更加复杂。

（2）工作面所受支承压力大

工作面两侧为采空区，受采空区残余支承压力的影响，工作面应力环境复杂。研究表明，孤岛工作面的垂直支承压力和水平支承压力的应力集中系数在2以上，并且影响范围更大。

（3）2号煤强度低

2号煤煤质较软，煤层内节理裂隙比较发育，抗压和抗剪强度低，在顶板作用下裂隙容易贯通，造成片帮甚至冒顶。

（4）伪顶的存在

2号煤层的直接顶板为0.2 m的泥岩伪顶，松散破碎，一般随采随冒。工作面回采过程中如果未及时移架，容易在支架前方形成冒顶。

（5）支架检修不及时

3206工作面所用的ZY6000/17/35液压支架已经在井下连续回采多个工作面，支架液压系统故障率相对较高，部分支架工作阻力无法保证，控顶能力差。

2 矿压观测及分析

在3206工作面设置5个测站，分别布置在20#、40#、60#、80#、100#支架处，对工作面回采过程中的矿压显现情况进行观测。观测内容和目的见表2。

表2 观测内容及目的

2.1 支架工作阻力观测

采用YHJ60综采支架工作阻力监测系统对支架工作阻力进行监测，来压和非来压期间5个测点的工作阻力数值见表3。

表3 支架工作阻力统计

由统计结果可以看出，3206工作面来压期间，支架的动载系数平均为1.27，但工作面不同区域的来压情况不同。工作面上部支架的来压明显小于中下部，工作面下部来压最为剧烈。

2.2 片冒统计

现场观测表明，3206工作面端面失稳以片帮为主，片帮的主要形式为滑落式和拉裂式，如图2。片帮位置主要发生在煤壁的上部，占比63%，片帮深度普遍小于0.7 m，片帮长度一般集中在两个支架范围内，片帮高度多为0.5 m。观测期内观测到一处冒顶，冒顶高度为0.5 m，在98号支架范围内，最大深度为0.6 m。

图2 3206工作面片帮主要形式

在整个工作面范围内，上中下部均观测到片帮现象，但中下部发生频率明显高于上部，端面稳定控制问题更加突出。

2.3 来压步距

在工作面回采期间，进行了4个周期来压的观测统计，结果见表4。

表4 基本顶来压步距统计（单位：m）

由表4可以看出，3206工作面基本顶的周期来压步距为30.31 m。

2.4 端面稳定性影响因素

3206工作面矿压观测表明，工作面端面失稳以片帮为主，并且煤壁片深与支架的工作状态如工作阻力、端面距、顶梁台阶、顶梁俯仰角等有密切的关系。端面距、顶梁台阶和俯仰角越大，端面稳定性越差，片深越大。而支架工作阻力对端面稳定的影响程度最大，分析表明，两者呈反比例关系，如图3。

图3 片深与支架工作阻力回归分析结果

由分析结果可知，在片帮严重的区域，可以通过调节支架位态、保证支架工作阻力等措施减少片帮，提高端面稳定性。

2.5 支架选型评价

3206工作面的初次来压步距约为15.7 m，并且直接顶板为炭质泥岩，裂隙不发育。根据直接顶分类指标及参考要素，确定3206工作面直接顶属于2b类中等稳定顶板。

基本顶的分级指标是基本顶初次来压当量Pe。

式中：Lf为基本顶初次来压步距，m；hi为直接顶岩层的厚度，m；hm为煤层采高，m。

代入计算可得，3206工作面基本顶初次来压当量为984，对照基本顶分级标准，该顶板为Ⅲ级，来压强烈。

根据顶板分级分类的结果，确定工作面支架架型应为掩护式或支撑掩护式，且支架支护强度应大于0.55 MPa。3206工作面所采用的ZY6000/17/35支架为支撑掩护式支架，支护强度大于0.8 MPa，能够满足顶板控制的要求。

3 端面稳定性控制措施及效果

3.1 控制措施

（1）保证支架工作阻力

采用YHX型泄漏故障检测仪对支架液压系统泄漏情况进行检测，发现泄漏的及时处理，同时对支架液压系统进行全面的维修，保证支架初撑力在额定值的90%以上。由安监科组织人员在生产班对支架工作阻力进行不定期抽查，如果有5架支架的工作阻力不达标，则现场整改，超过5架时，则记录在案并对综采队处以罚款。

（2）及时带压移架

工作面采煤机割煤之后，迅速降低支架高度，及时将支架前移，与割煤速度相适应，避免顶板长时间裸露。在支架顶梁和底座之间设置一油缸，可以将支架底座上提，如图4，实现贴顶离地移架，在保护顶板完整性的同时提高了移架速度。

（3）增加护帮板的使用

在3206工作面回采过程中，提前采煤机2个支架将护帮板收起，采煤机割煤移架后，及时将护帮板伸出，尽可能延长护帮的时间。

3.2 效果分析

3206工作面回采350 m后，通过采取以上措施，片冒事故明显减少，仅来压期间能够观测到零星的煤壁片帮，片帮长度和深度均小于0.5 m，端面顶板稳定，推进速度明显加快。

图4 快速移架装置

4 结论

（1）3206孤岛工作面受支架受力状态、两侧采空区残余支承压力、支架工作状态以及2号煤强度等因素的影响，造成端面事故频发。

（2）3206孤岛工作面的端面失稳以片帮为主，片帮的大小与支架工作状态密切相关，提高支架工作阻力、减少端面距有利于片帮控制。

（3）3206工作面顶板为Ⅲ级2b类，来压较为剧烈，ZY6000/17/35支架支护强度为0.8～0.9 MPa，能够满足顶板控制的要求。

（4）基于现场矿压观测资料，通过采取提高支架工作阻力、及时带压移架、支架防倒防滑等措施，实现了3206孤岛工作面的安全回采，为类似条件下的煤炭资源开采积累了经验。