寺家庄煤矿15301 大采高工作面矿压显现规律及支架适应性分析

郑玉春

（潞安化工集团寺家庄公司，山西晋中045300）

1 工程概况

阳煤寺家庄公司15301 工作面位于北一盘区，工作面倾斜长度220 m，可采走向长度为2 288 m，开采15 号煤层，煤层厚度为3.75～7.2 m，平均厚度为5.24 m，平均倾角为4°，煤层赋存稳定，一般含有2～3 层夹矸，煤层顶底板岩层特征见表1。15301工作面采用大采高一次采全高采煤工艺进行回采作业，工作面采高为5.0 m，循环进度0.8 m，工作面采用ZY12000-30/68D 液压支架，机头和机尾分别布置3 台ZYD12000-30/68D 性过渡支架，现为有效分析大采高工作面矿压显现规律及支架的适应性，特进行现场监测分析研究。

表1 煤层顶底板岩层特征表

2 矿压显现规律

2.1 矿压观测方案

15301 工作面采用KJ513 在线监测系统，通过监测系统能够实现对液压支架工作阻力的实时监测，工作面由回风巷向运输巷方向划分为3 个测站，分别为工作面上部、中部和下部，工作面不同区域上选择3 个液压支架安装测力仪，其中工作面上部测力仪安装支架编号为3、13 和24 号，工作面中部测力仪安装支架编号为46、68 和90 号，工作面下部测站测力仪安装支架编号为100、112 和138 号，具体工作面矿压测区分布如图1 所示。

图1 15301 工作面矿压测区分布图

根据众多理论研究和工程实践结果表明[1-3]，工作面顶板来压判据基准值为支架平均循环工作阻力与其标准差之和，具体工作面周期来压的判据表达式为[1-2]：

式中：P为液压支架的工作阻力；σ为循环工作阻力平均值的标准差；n为实测循环数；P为循环工作阻力的平均值；Pi为各循环实测工作阻力；

根据15301 工作面各测站的矿压实测数据，代入公式（1）中能够计算得出工作面不同测站间液压支架来压判据值，见表2。

表2 工作面各测站支架来压判据表

工作面回采期间的来压强度采用动载系数K表示，动载系数K等于工作面周期来压和非周期来压期间支架平均工作阻力的比值[3-4]，具体表达式为：

式中：K为动载系数；Pf为非周期来压期间支架平均工作阻力；Pz为周期来压期间支架平均工作阻力。

2.2 顶板来压特征分析

根据15301 工作面回采期间的矿压监测数据可知，在工作面各个分区内的液压支架的工作阻力曲线基本呈现为相同的变化趋势，而工作面不同分区间支架的工作阻力呈现出一定的差异，现选取13、68 号和112 号液压支架分别代表工作面上部、中部和下部进行顶板来压特征的分析，具体曲线如图2 所示。

分析图2（a）可知，工作面上部在回采推进约37 m 时顶板出现初次来压现象，来压期间液压支架的工作阻力约为32 MPa，顶板初次来压后工作面每间隔17 m 出现一次周期来压现象，周期来压期间支架的平均工作阻力约为31 MPa，顶板初次来压和周期来压期间的动载系数分别为1.4 和1.35。

分析图2（b）可知，工作面中部在回采推进约36 m 时顶板出现初次来压现象，来压期间液压支架的工作阻力约为38 MPa，顶板初次来压后工作面每间隔17 m 出现一次周期来压现象，周期来压期间支架的平均工作阻力约为37 MPa，顶板初次来压和周期来压期间的动载系数分别为1.6 和1.5。工作面中部的初次来压步距和周期来压步距与工作面上下两端相比，均出现一定程度的降低，这是由于工作面中部处于两侧悬空的状态，工作面上部和下部均有实体煤柱起到一定的支撑作用。

分析图2（c）可知，工作面中部在回采推进约37 m 时顶板出现初次来压现象，来压期间液压支架的工作阻力约为32 MPa，顶板初次来压后工作面每间隔17 m 出现一次周期来压现象，周期来压期间支架的平均工作阻力约为31 MPa，顶板初次来压和周期来压期间的动载系数分别为1.4 和1.38，回采期间支架同样未出现小的周期来压现象。

图2 工作面不同分区液压支架工作阻力曲线图

综合上述分析，结合矿压监测数据能够得出，工作面上部、中部和下部基本顶初次来压步距的平均值分别为37.2、35.9 和37.2 m，周期来压步距的平均值分别为16.83、16.0 和16.9 m，工作面上部、中部和下部来压期间动载系数的平均值分别为1.39、1.5 和1.4。工作面周期来压步距呈现出上下端头大、中部小的特征，来压强度呈现出中部大、两端小的特征，且工作面回采期间不存在大小周期来压现象。

3 支架适应性分析

15301 工作面回采期间，根据矿压实时监测系统能够得出工作面不同分区液压支架的承载特性，分析液压支架的承载特性及适应性，主要通过工作面回采期间支架的初撑力、工作阻力进行综合分析，具体分析如下：

1）工作面上部：现以工作面上部13 号液压支架的工作阻力运行状况进行分析，具体支架初撑力和工作阻力分布频率直方图如图3 所示。

图3 工作面上部13 号液压支架工作阻力分布频率直方图

分析图3 可知，工作面上部13 号支架初撑力在10～25 MPa 范围内的占比较大，达到45.71 %，其次为初撑力小于10 MPa 的达到30.2%，支架初撑力达到设定初撑力25 MPa 的比例仅占到25.19%，即表明工作面上部支架初撑力的使用效率较低。13 号支架工作阻力总体呈现为正态分布，直方图中超出支架工作阻力的比例占到20%。

2）工作面中部：选取68 号液压支架的工作阻力的承载特性进行分析，具体支架初撑力、工作阻力和末阻力的分布特征如图4 所示。

图4 工作面中部68 号液压支架工作阻力分布频率直方图

分析图4 可知，工作面中部68 号支架初撑力分布整体呈现为驼峰分布，初撑力在10～25 MPa 范围的占比达到52.78 %，支架初撑力达到设定初撑力25 MPa 的比例仅占到26.57 %，工作面中部同样存在初撑力偏低的问题，68 号支架工作阻力总体呈现为正态分布，回采期间支架超出工作阻力（35 MPa）的比例达到38.8%，产生这种现象的主要原因为工作面中部来压强度较大。

3）工作面下部：选取100 号液压支架的工作阻力的承载特性进行分析，具体支架初撑力、工作阻力和末阻力的分布特征如图5 所示。

分析图5 可知，工作面下部100 号支架初撑力在10～25 MPa 范围的占比达到62.41%，支架初撑力达到设定初撑力25 MPa 的比例仅占到9.28%，这即表明工作面下部支架初撑力的使用效率极低，支架结顶效果较差；100 号支架工作阻力绝大部分均处于正常运行状态，仅存在少数支架在操作和断层影响下出现工作阻力偏高和偏低的现象。

图5 工作面下部100 号液压支架工作阻力分布频率直方图

综合上述分析可知，工作面支架初撑力呈现为驼峰分布，支架初撑力达到25 MPa 以上的仅占到总体支架的30%左右，工作面液压支架工作阻力呈现为正态分布，工作面中上部支架工作阻力大于额定工作阻力的比例达到20%以上，即表明工作面中上部顶板压力相对较大，支架处于极限受力状态。据此可知，ZY12000-30/68D 型液压支架总体适应性较好，后续需加强支架操作和泵站管理，提升支架初撑力的合格率，确保初撑效果，同时加强对工作面中上部液压支架的管理，防止支架出现压死现象。

4 结 论

根据15301 大采高工作面的开采条件，通过回采期间现场监测的方式，分析液压支架工作阻力曲线得出工作面初次来压和周期来压步距平均值分别在35.9～37.2 m 和16.0～16.9 m，顶板来压强度呈现出中部大、两端小的特征；通过支架承载特性分析得出ZY12000-30/68D 型液压支架总体适应性较好，需进一步提升支架初撑力的合格率，加强对工作面中上部液压支架的管理。