类孤岛工作面强矿压区域显现规律及支架适应性

刘如鹏，张展华，郑东红

(陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 延安 727306)

0 引言

近年来，随着智能化时代的到来，煤矿的智能化热潮也随之而来[1 -3]。大采高、强采动、无人化、智能化在席卷煤矿领域，因某些工作面所处地质环境影响，采动时需要避开断层以及构造地带，因此会形成如孤岛以及类孤岛的工作面，且随着强采动孤岛以及类孤岛工作面部分区域存在矿压显现比较强烈的区域[4 -6]。此外，通过分析工作面液压支架提供的技术参数来评价支架适应性[7 -9]，提高智能化集控系统的精准度[10 -13]。因此，研究分析工作面强矿压区域显现规律能够为回采工作面安全、高效开采提供有利指导[13 -17]。

1 工作面概况

黄陵二号煤矿209工作面属深埋厚硬砂岩顶板中厚煤层开采条件，位于已采208工作面、已采211工作面及准备巷道之间，形成类似仅有煤柱支撑的类孤岛工作面。209工作面走向长度4 087 m(运输顺槽)/4 293 m(运输顺槽)，工作面长度300.5 m，留大巷煤柱181 m/387 m，可采长度为3 900 m，煤层平均厚度为3.0 m，煤容重1.37 t/m3，地质储量517.5万t，可采储量457.6万t，回采率95%。工作面开采煤层为2号煤层，属于侏罗系中统延安组，2号煤为黑色块状，条痕黑色，弱沥青光泽，参差状断口，以暗煤为主，亮煤次之，丝炭少量，含黄铁矿结核，属半暗型煤，内生裂隙发育。工作面煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况

2 工作面强矿压区域显现机理分析

2.1 测点布置

工作面支架压力监测使用每台支架安装的机械压力表和自带压力传感器及配套监控设施进行支架压力监测，对1#、10#、20#、…、170#支架压力数据进行记录、分析。通过采用支架自带压力监测系统，监控平台采用配套的监控软件，可以从监控中心显示屏上直接观察每架支架的工作阻力，也可以直接观察支架立柱上的压力表读数来判断每架支架的工作阻力情况。

2.2 强矿压显现机理分析

通过分析工作面液压支架原始压力等值线图以及周期来压步距确定强矿压显现区域来进行实时监测。监测期间209工作面运输巷累计推进310.6 m，回风巷累计推进309.5 m，期间每天的平均推进度如图1所示。推进速度为3.2～13.1 m/d，平均推进速度为10.3 m/d。209工作面监测期间，工作面上部统计了11次周期来压过程，周期来压步距界于17.9～34.7 m，平均为25.8 m；工作面下部统计了8次周期来压过程，周期来压步距界于19～34.7 m，平均为27 m，相对于正常回采期间周期来压步距较大，现场矿压显现明显。监测期间209工作面支架原始压力数据云图，如图2所示。强矿压区回采期间，红黄色区域为高压支撑区，可以看出，检测阶段强矿压区处于工作面中间支架，两侧支架受压较少，主要原因是两侧为煤柱支撑区，煤柱成了高应力支撑点。如图3所示，监测期间209工作面来压期间支架工作阻力平均为42.30 MPa，非来压期间支架工作阻力平均为38.46 MPa；支架的平均动载系数均呈现出单峰曲线，工作面平均动载系数均值为1.10，支架的整体适应性较好。

图1 工作面每日推进度统计Fig.1 Daily push progress statistics of working face

3 工作面支架适应性分析

3.1 初撑力分析

支架初撑力及工作阻力均是支架的重要性能参数。支架初撑力取决于乳化液泵站压力，受各种因素影响，它不等于泵站压力，初撑力是支架对顶板的主动支撑力。工作阻力是支架维持顶板平衡所需的被动力。支架的初撑力直接影响到支架的支护效果，初撑力的大小对防止顶板离层、工作面煤壁的片帮起着重要作用。支架的初撑力应该尽可能大一些，但是由于液压管路损失和机械强度极限等原因限制，支架初撑力不可能太大，一般说来支架的初撑力能达到额定初撑力的80%以上属于合理的范围，209工作面达标初撑力为25.2 MPa，即6 333.45 kN。或者支架的初撑力平均值与额定工作阻力比值介于0.6～0.7，即支架的初撑力平均值合理区间为23.88～27.86 MPa，则可认为支架初撑力满足要求。初撑力对本循环或后续循环的支架工作阻力均有重要影响。若支架初撑力太小，为维持顶板的相对平衡，本循环的支架工作阻力将逐渐增加；随着顶板的下沉，很容易导致顶板发生离层现象，即顶板的整体结构易发生破坏，致使后续循环的支架工作阻力也随之增加，这种恶性循环不仅不利于支架性能的充分发挥，还将影响支架寿命。

图2 工作面支架压力云图Fig.2 Cloud map of support pressure in working face

图3 工作面支架动载系数Fig.3 Dynamic load coefficient of support in working face

为了分析工作面支架初撑力的合理性，采取了数理统计方法分析了初撑力的分布区间以及各支架前后柱初撑力的平均值，见表2。监测期间209工作面支架初撑力达标率平均为69.92%，初撑力达标率虽然低于80%，但是支架的实际平均初撑力为26.04 MPa，满足初撑力25.2 MPa的要求，说明工作面支架初撑力整体状态较好。

表2 工作面支架初撑力统计

3.2 工作阻力频率分布

工作阻力频率分布图是由支架的工作阻力在不同区间的百分比来确定，具体方法是划分N个区间(本分析N=10)，分别统计支架工作阻力在各区间所占的百分比。对于理想的支架工作阻力频率分布图应是正态分布，处于低阻力和高阻力所占整个区间很少比例，中间部分所占比例较大。若低阻力所占比例较大，支架对顶板支撑作用不明显，顶板整体下沉，工作面采高降低，容易出现支架被压死现象；若高阻力所占比例较大，说明支架长期在超负荷状态工作，安全阀频繁开启，影响支架的使用寿命。

结合表3可知，支架工作阻力0～6 000 kN的占比3.7%，6 000～9 000 kN的占比66.5%，9 000 kN以上的占比29.8%，说明支架工作阻力主要分布在6 000～9 000 kN范围内，超过额定工作阻力10 000 kN的占比8.1%，说明该工作面支架初撑力水平较高，来压时显现较为缓和。

支架工作阻力频率除10#、60#支架工作阻力分布直方图大致成正态分布外，其他支架工作阻力分布不理想，尤其是20#、30#、40#、50#、70#、80#、90#、100#、110#、120#、130#、140#、150#、160#、170#支架工作阻力在9 000 kN以上的高达20%，支架高压力区间占比较高。工作阻力频率分布不合理，说明支架长时间高负荷状态，影响支架使用寿命。

表3 各支架工作阻力频率分布

为了更清楚地分析支架压力高压区间内的工作阻力分布情况，分别统计了9 000 kN和10 000 kN以上的支架压力占比，如图4所示。20#、30#、40#、50#、70#、80#、90#、100#、110#、120#、130#、140#、150#、160#、170#支架压力在9 000 kN以上的占比超过了20%，211工作面94.11%支架工作阻力处于高阻力区间；30#、50#、80#、90#、110#支架压力在10 000 kN以上的占比超过了10%。209工作面临空侧最大甚至达到了14.74%，超过了支架的额定工作阻力，支架富裕系数较小。

图4 支架高压力区间占比分布Fig.4 Proportion distribution of support high pressure section

3.3 安全阀开启率分析

安全阀是液压支架的重要保护元件，当立柱负载超过额定工作阻力时，安全阀开启从而降低立柱内的液体压力，使其不超过额定值，保护立柱及支架其他结构件。安全阀开启率能够较好地反映出顶板来压强烈程度以及支架适应性能。根据监测期间的数据统计，工作面回风巷道推进309.5 m，运输巷道推进310.6 m，平均推进310.1 m，共完成344个割煤循环，各支架的安全阀开启次数与安全阀开启率进行统计分析。根据监测到的矿压数据分析，25#、35#、55#、65#、75#、85#、95#、105#、115#、125#、135#、145#支架安全阀开启率在10%以上，支架占比达到66.67%，如图5所示。5#、165#、175#支架安全阀开启率普遍低于6%，表明209工作面在强矿压区域时工作面支架安全阀开启率偏高，支架富裕系数低。

图5 209工作面强矿压区域安全阀开启统计Fig.5 Opening statistics of safety valve in strong mine pressure area of 209 working face

4 结论

(1)黄陵二号煤矿209工作面属深埋厚硬砂岩顶板中厚煤层开采条件，强矿压区域周期来压步距平均27 m，动载系数平均1.10～1.21，具有来压步距大、来压持续时间长等特点，工作面矿压显现总体强烈。

(2)监测期间工作面支架初撑力达标率平均为69.92%，实际平均初撑力为26.04 MPa，表明工作面支架初撑力整体状态较好，可实现对顶板的有效支护。

(3)支架工作阻力9 000 kN以上占比平均29.8%，10 000 kN以上占比平均8.1%，工作面支架工作阻力高报比例较高，工作阻力频率分布不合理，支架长时间高负荷状态，影响支架使用寿命。

(4)支架安全阀循环开启率平均13.26%，工作面在强矿压区域时安全阀开启率偏高，支架富裕系数低。