燕子山礦放頂煤工作面礦壓顯現規律分析及應用

張永 楊勇

燕子山礦現侏羅系資源枯竭，工作面已全部轉入石炭系，設備也全部更換，因缺乏石炭系礦壓觀測資料和管理經驗，首個放頂煤工作面，支架選型偏小，以及施工隊組對放煤工藝不熟悉、對礦壓管理不重視，導致自2014年10月份起燕子山礦首個放頂煤工作面8216推進600米后，ZF10000支架與工作面生產條件不相適應，經四次大面積頂板來壓后，支架頂梁、掩護梁等構件陸續出現嚴重損壞的現象，見圖1。本文通過分析燕子山礦4#層礦壓顯現規律，對支架重新進行選型，加強初撐力管理等措施，保證了后續工作面的順利回采。

圖1 支架壓架和損壞

1 工作面概況

4#302盤區煤層厚度6.5 m～8.5 m，平均7.95 m，傾角0～4°，平均3°，含0～4層夾矸，蓋山厚度400 m～430 m。盤區工作面老頂厚28 m～47 m，巖性為粗、細、粉粒砂巖、高嶺巖，直接頂厚7 m～12 m，巖性高嶺巖、中、細粒砂巖、粉砂巖，直接底2.5 m～7.2 m，巖性粉砂巖、高嶺巖、砂質泥巖。4#層地層綜合柱狀圖如圖2所示。

圖2 地層綜合柱狀

2 首采面礦壓觀測及分析

2.1 礦壓監測方式

首采面自回采起，工作面支架均安裝YHY-60型礦壓表，同時每隔10架布置1塊KJ216-F型頂板壓力監測分站，監測分站數據通過專用電纜傳送至KJ216-F2監測分站，及KJ216-Z主站，主站經電話線將井下的數據信號傳送至地面接收主機(KJ216-J礦壓數據通訊接口)，實現礦壓數據的實時傳輸。

2.2 礦壓顯現特征

（1）初次和周期來壓時，老頂發生斷裂，頂板迅速下沉，支架壓力迅速增大，當壓力達到支架的額定工作阻力后，安全閥開啟卸液，支架立柱行程縮短，嚴重時，造成支架無行程，即出現支架“壓死”情況。

（2）來壓時支架頂板破碎，支架接頂不嚴，背矸嚴重，初撐力達不到要求，進而易導致支架傾斜，影響工作面的正常推進。

（3）來壓嚴重時，機道頂板同樣發生破碎，超出支架前探梁及護幫板的支護范圍時，則易發生頂板竄煤、漏頂事故，造成采煤機組、刮板輸送機損壞及人員傷亡等。

2.3 數據分析

通過首采工作面從初采至回采結束連續將近1年的礦壓實時監測數據分析，得出首采面礦壓顯現規律。

2.3.1 來壓步距

初采時，推出切眼支護范圍時（約推進9m后），頂煤開始垮落，推進至15 m～20 m時，直接頂開始垮落，至推進至55 m～65 m時，老頂垮落，即老頂初次來壓步距為55 m～65 m之間，周期來壓步距一般在35 m～45 m之間，來壓規律、明顯。具體數據如圖所示。

圖3 首采面各監測點來壓步距

2.3.2 動載系數

（1）正常時，支架壓力均保持在24 MPa～27 MPa之間，通過對首采面前20次來壓統計，各監測點來壓的平均壓力，如表所示，中部30#～70#架來壓壓力大，平均可達40 MPa，工作面兩頭，10#～20#架、80#～90#架來壓壓力較小，一般在35 MPa以下。

根據礦壓觀察數據記錄計算，動載系數一般在1.5～1.7之間，平均1.6。

圖4 首采面各監測點來壓壓力

2.3.3 安全閥開啟統計

圖5 首采面各監測點來壓安全閥開啟率

首采面自初次來壓起安全開啟頻繁，初次來壓時30#～70#架安全均開啟，開啟率達到安全閥總數的45%，中部40#～50#、60#～70#架出現支架壓死情況，根據礦壓觀測工記錄，每次周期來壓安全閥開啟率26%～36%之間，安全閥開啟頻繁，且支架出現“壓死”次數頻繁。

3 支架支護強度驗算

按現行較通用的巖石容重法公式計算支架的動載支護強度

式中：

q-支架的動載支護強度，kN∕m2；

kd-動載系數，根據首采面礦壓觀測情況取1.6；

M-一次采厚6.6 m，(放頂煤采厚7.95 m×回采率0.83)；

Kp-上覆冒落帶巖石碎脹系數，取1.3；

γ-頂板巖石平均容重，取25 kN∕m3。

按照上式計算：首采面支架的動載支護強度為880 kN∕m2。

ZF10000支架，支架寬1.5 m，有效控頂距長6.37 m，額定支護強度為1 046 kN∕m2，實際支架工作阻力在額定工作阻力84.1%，科學合理的支架工作阻力應在額定工作阻力的60%～80%之間，理論驗算和支架實際使用情況均證明4#層首采面采用ZF10000支架對其生產條件來說，選型偏小。

4 支架重新選型及應用

在燕子山礦第2個工作面8218穩裝前，特重新進行支架選型，ZF12000支架，支架寬1.5 m，有效控頂距長5 980 mm，額定支護強度為1 338 kN∕m2，結合我礦4#層礦壓顯現情況，通過理論計算，在4#層生產條件下，該支架工作阻力達到額定工作阻力65.8%。

該礦更換ZF12000支架后，已順利回采8218及8214兩個放頂煤工作面，現正在回采8212工作面，未出現任何支架嚴重損壞情況。理論與實踐均表明ZF12000支架對4#層放頂煤生產條件適應性較好。

5 結論

（1）合格的初撐力，能夠維護頂板完整，保證老頂的順利破斷，保證周期來壓正常、規律。

現場觀測及數據統計發現，在保證初撐力合格的前提下，推進約3 m～5 m的距離即可通過周期來壓。但若初撐力合格較低時，即使未達到周期來壓步距，也會導致頂板來壓。

（2）工作面布置成偽斜，可使工作面來壓由大面積來壓逐步轉向分段來壓。如8218回采期間，頭尾采位差經常會達到約15 m以上，此時工作面來壓明顯可分為上、中、下三段來壓。

（3）在工作面保持正常的推進速度時，周期來壓規律、明顯，當工作面推進速度減慢時，老頂下沉對支架的作用時間加長、壓力加大，增加頂板管理難度。當工作面推進速度加快時，老頂下沉相對作用于支架時間、壓力均會減小，有利于頂板管理。