新元煤矿9108综采工作面矿压观测分析

2021-08-14王逸宁

江西煤炭科技 2021年3期

王逸宁

（山西新元煤炭有限责任公司，山西晋中 030600）

矿压显现规律是采矿工程研究的重点。煤层开挖后，覆岩在自身重力及其上方岩层的作用下发生运移，进而引起工作面一定程度的矿压显现[1-3]。因此，掌握工作面矿压显现规律并据此指导工作面支护设计，对于矿井的安全高效生产具有重要意义[4-5]。本文以新元煤矿9108 综采工作面为工程背景，采用矿压观测法对该工作面矿山显现特点进行分析探讨。

1 概况

新元煤矿9108 综采工作面位于一水平一采区，开采9#煤层，工作面标高+570.5～+679.3 m，对应地表标高+1 092.5～+1 141.3 m，埋藏深度449.4～510.3 m。工作面煤层倾角为0°～8°，平均4°。煤层以亮煤为主，内生裂隙发育。煤层厚度1.1～3.3 m，平均2.77 m。工作面中部共布置134架ZY12000/22.5/45D液压支架，上下端头分别布置ZYG12000/22.5/45D型过渡支架1 架及ZYT12000/24/50D型端头支架2 架。支架额定工作阻力为12 000 kN，设计初撑力9 600 kN。煤层直接顶以砂质泥岩、炭质泥岩、泥岩为主，平均厚度约17.63 m，老顶为粉砂岩及粗砂岩，厚度约9.17 m，直接底为粉砂岩，平均厚度为1.2 m，老底为细砂岩，平均厚度为4.38 m，工作面顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况

2 矿压观测及分析

2.1 矿压观测系统

在工作面支架上安装尤洛卡公司生产的支架阻力监测系统，对9108 工作面推进过程中支架工作阻力进行监测与分析。根据每个班次末支架阻力及对应推进位置绘制整个工作面液压支架工作阻力云图，图例中颜色由蓝色至红色对应于支架工作阻力由小到大，即顶板压力由小到大。通过观察支架工作阻力云图颜色可以直观地判断顶板压力分布及来压范围。

2.2 初次来压特点

图1为工作面初次来压阶段支架阻力分布图。由图1知，9108 工作面开采至至约40 m位置处时，1#～33#、56#～106#、115#～133#支架载荷处于较高水平，达到支架额定工作阻力的60%以上。因此，判断9108 工作面老顶初次来压步距约为40 m。由于初采期间采取了水力压裂技术对开切眼上部顶板进行了切顶卸压，老顶初次来压强度并不大，平均动载系数为1.08。表明初采期间采用水力压裂技术对老顶进行切顶卸压，有效地降低工作面的来压强度，确保了工作面初采期间的安全。

图1 工作面初次来压阶段支架阻力分布

2.3 周期来压特点

为分析工作面周期来压，选取工作面推进0～400 m时间段支架阻力为研究对象，见图2。由图2可知，支架阻力呈现明显的周期性特点，0～400 m范围内，工作面共经历11 次周期来压，来压步距最大为31.9 m，最小为12 m，平均为22 m。沿工作面推进方向可将顶板压力分为三个区域：

图2 工作面周期来压阶段支架阻力分布

（1）低压区，工作面开切眼到推进距离100 m范围。该区域内工作面采动不充分，支架工作阻力变化较小，基本低于7 000 kN。

（2）过渡区，工作面推进距离100～300 m范围。随着工作面不断向前推进，采动越来越充分，支架工作阻力不断增加。

（3）高压区，工作面推进距离300 m后。工作面推进300 m后，工作面达到充分采动状态，此时，支架平均工作阻力基本在8 000 kN以上。

沿工作面布置方向，顶板压力可分为5 个区域，从刮板输送机机头到机尾表现为低压区、高压区、低压区、高压区、低压区的“马鞍形”分布。

3 支架受力分析

3.1 初撑力

对9108 工作面支架初撑力进行统计可知，工作面42.44%的支架初撑力表现为不合格，一半以上支架的初撑力没有达到要求的支护强度，降低了工作面的支护效果。应加强对泵站压力的管理，通过增大泵站压力额定值及减少局部压力损失等手段将工作面支架初撑力提高至额定工作阻力的80%。这样可以有效控制工作面顶板的下沉，并且能够最大程度的保持直接顶岩层的完整性，防止下位直接顶发生离层及冒顶等问题。

3.2 工作阻力

工作面推进过程中，液压支架的工作阻力会受到煤层赋存条件、工人熟练程度等因素的影响而发生变化。正常情况下，支架工作阻力应服从正态分布，即支架在多数情况下处于正常工作阻力状态。根据回采期间支架工作阻力监测数据，得出工作面不同区域液压支架时间加权阻力。将支架工作阻力按照额定值的20%划分为5 个区间，统计不同区域支架工作阻力在各区间的分布情况，各支架工作阻力分布见表2。由表2可知，不同区域支架工作阻力分布基本一致，支架受力主要分布在正常区，达到76.1%，低阻区、高阻区分别为14.5%和9.4%，支架工作阻力分布属于正态分布，工作面支架整体工作状态较好。