三交河2-502大采高工作面矿压显现规律及支架适应性分析

2021-07-13贾军

煤 2021年7期

贾军

(山西焦煤霍州煤电集团汾河焦煤公司三交河煤矿，山西洪洞 041600)

1 工程概况

山西霍州煤电集团三交河煤矿2-502工作面开采2号煤层。煤层位于二叠系下统山西组，煤层均厚为4.2 m，平均倾角为2°，煤层稳定可采，结构复杂，含两层夹矸，直接顶岩层为泥岩和粉砂岩互层，基本顶岩层为中砂岩，均厚7.2 m，底板岩层为泥岩和中砂岩。2-502工作面采用大采高综采采煤方法，采高为4.2 m，循环进度为0.8 m，工作面内液压支架采用ZY12000/22/35型支撑掩护式液压支架。为充分掌握工作面回采期间的矿压显现规律及支架的适应性，特进行矿压规律的实测分析。

2 工作面矿压显现特征

为分析掌握2-502工作面回采期间的矿压特征，采用尤洛卡在线监测系统进行工作面回采期间支架工作阻力的实时监测，以总结分析工作面顶板的来压规律，为全面对工作面区域的矿压特征进行分析，现将工作面划分为上部、中部和下部3个区域，每个区域进行2个液压支架工作阻力的监测，工作面上部区域监测20号和37号液压支架，中部区域监测56号和61号液压支架，工作面下部区域监测86号和102号支架。

根据2-502工作面回采期间的矿压监测数据可知，工作面上部、中部和下部不同支架处的工作阻力曲线基本表现为相同的变化趋势[1-3]，现具体以20号、56号和86号支架分别代表工作面上部、中部和下部进行具体分析，工作阻力曲线如图1所示。

分析图1(a)可知，2-502工作面回采期间，其上部的周期来压平均步距为16.9 m，基本顶来压期间的影响范围为5.5 m。从图中能够看出，20号支架的末阻力平均动载系数为1.19，液压支架的时间加权阻力平均动载系数为1.13，工作面顶板来压期间支架循环末阻力和时间加权工作阻力的平均值分别为8 264.6 kN和7 536.6 kN，其分别占到支架额定工作阻力的68%和62%.

分析图1(b)可知，工作面回采期间中部基本顶的平均周期来压步距为22 m，基本顶来压时平均影响范围为7.9 m，液压支架末阻力和时间加权阻力的平均动载系数分别为1.17和1.19，支架循环末阻力和时间加权阻力平均值分别为9 211.8 kN和7 427.4 kN，分别占到液压支架额定工作阻力的77%和62%.

图1 工作面液压支架工作阻力曲线

分析图1(c)可知，工作面回采期间下部基本顶的周期来压步距为16.4 m，基本顶周期来压的影响范围约为5.7 m，液压支架的循环末阻力和时间加权阻力平均动载系数分别为1.32和1.37，工作面来压时，支架循环末阻力和时间加权阻力的平均值分别为9 527.3 kN和8 084.5 kN，其分别占到支架额定工作阻力的79%和67%.

综合上述分析可知，工作面上部、中部和下部基本顶的周期来压步距的平均值分别为16.9 m、21.9 m和16.4 m，工作面内整体周期来压步距为18.4 m，工作面动载系数分别为1.28、1.17和1.32。基于上述可知，工作面来压期间的影响范围大致相同，工作面区域动载系数呈现出两端大、中部小的特征，基本顶的周期来压步距同样呈现为两端小、中部大的特征。

3 支架适应性分析

为有效分析2-502工作面回采期间液压支架的适应性，现分别从液压支架支护阻力的频率分布和支架的增阻特性方面进行支架整体适应性进行分析[4-6]。

1) 支护阻力频率分布：通过对工作面回采期间上部液压支架的工作阻力进行监测分析，得出工作面上部、中部和下部支架末阻力和时间加权阻力分布直方图，如图2所示。

图2 工作面支架阻力分布直方图

分析图2(a)可知，工作面上部支架的初撑力基本均在5 722～8 722 kN的范围内，其占到总体的81.6%，该范围的初撑力达到额定初撑力的74%以上；初撑力小于额定初撑力74%的比例仅占到17.4%。工作面上部液压时间加权阻力基本落在4 000～10 000 kN的范围内，其达到总量的99.5%，该范围内的加权阻力占到额定阻力的33%～83%.

分析图2(b)可知，工作面中部支架初撑力基本均在4 722～8 722 kN的范围内，占到总量的83.2%，初撑力小于额定阻力61%的比例为10.7%；支架时间加权阻力基本均在4 000～10 000 kN范围内，其占到总量的91.3%，该范围内的时间加权阻力占到额定阻力的33%～83%.

分析图2(c)可知，工作面下部支架初撑力基本均在4 722～7 722 kN的范围内，其占到总量的69.7%，该范围内支架的工作阻力占到额定初撑力的61%～100%；支架时间加权工作阻力基本均在4 000～10 000 kN的范围内，占到总量的85.1%，该范围内时间加权阻力占到额定工作阻力的33%～83%.

综合上述分析可知，2-502工作面支架的初撑力强度较为合理，且通过对比可知，工作面上部液压支架的初撑力相对较小，工作面上部、中部和下部支架初撑力大于额定初撑力70%的比例分别为81.6%、83.2%和88%，工作面下部支架初撑力相对较好；工作面支架阻力整体呈现正态分布特征，且支架阻力呈现明显的中间大、两端小的特征，工作面上部、中部、下部支架工作阻力超过额定80%的比例分别为1%、8.7%和5.6%，这表明工作面下部液压支架受到顶板的作用相对较大。

2) 支架增阻特性：根据工作面回采期间液压支架工作阻力的监测分析结果，能够得出工作面不同区域液压支架工作过程中的增阻状况[7-8]，现为有效分析工作面上部、中部和下部支架的增阻状况，分别选取20号支架、56号支架和86号支架分别代表工作面上部、中部和下部区域进行支架增阻特征分析，具体支架增阻特征如图3所示。

分析图3可知，工作面上部区域20号液压支架和工作面中部56号液压支架的工作阻力增加值在2 000～3 000 kN范围内的比例较大，其分别占到区域总值的30.3%和35.2%，工作面下部液压支架工作阻力增加值在3 000～4 000 kN范围内的数值较大，其占到总体值的30.8%.据此可知，工作面下部支架工作阻力的增加幅度较大，而工作面中部在3 000～4 000 kN范围内的增阻比例比工作面上部要大。

图3 工作面液压支架增阻特性直方图

综合上述分析可知，2-502工作面采用ZF12000/23/37型支撑掩护式液压支架，工作面上部、中部和下部支架工作阻力的平均值分别为8 264.6 kN、9 211.8 kN和9 527.3 kN，其分别占到额定工作阻力的68%、77%和79%，另外从工作面回采期间支架阻力分布分析可知，工作面中部和下部液压支架的工作阻力相对较大，工作面内液压支架初撑力基本达标，回采期间支架工作阻力富裕系数相对较小。据此可知，ZF12000/23/37型支撑掩护式液压支架能有效满足工作面回采期间的使用要求。