燕子山矿放顶煤工作面矿压显现规律分析及应用

张永 杨勇

燕子山矿现侏罗系资源枯竭，工作面已全部转入石炭系，设备也全部更换，因缺乏石炭系矿压观测资料和管理经验，首个放顶煤工作面，支架选型偏小，以及施工队组对放煤工艺不熟悉、对矿压管理不重视，导致自2014年10月份起燕子山矿首个放顶煤工作面8216推进600米后，ZF10000支架与工作面生产条件不相适应，经四次大面积顶板来压后，支架顶梁、掩护梁等构件陆续出现严重损坏的现象，见图1。本文通过分析燕子山矿4#层矿压显现规律，对支架重新进行选型，加强初撑力管理等措施，保证了后续工作面的顺利回采。

图1 支架压架和损坏

1 工作面概况

4#302盘区煤层厚度6.5 m～8.5 m，平均7.95 m，倾角0～4°，平均3°，含0～4层夹矸，盖山厚度400 m～430 m。盘区工作面老顶厚28 m～47 m，岩性为粗、细、粉粒砂岩、高岭岩，直接顶厚7 m～12 m，岩性高岭岩、中、细粒砂岩、粉砂岩，直接底2.5 m～7.2 m，岩性粉砂岩、高岭岩、砂质泥岩。4#层地层综合柱状图如图2所示。

图2 地层综合柱状

2 首采面矿压观测及分析

2.1 矿压监测方式

首采面自回采起，工作面支架均安装YHY-60型矿压表，同时每隔10架布置1块KJ216-F型顶板压力监测分站，监测分站数据通过专用电缆传送至KJ216-F2监测分站，及KJ216-Z主站，主站经电话线将井下的数据信号传送至地面接收主机(KJ216-J矿压数据通讯接口)，实现矿压数据的实时传输。

2.2 矿压显现特征

（1）初次和周期来压时，老顶发生断裂，顶板迅速下沉，支架压力迅速增大，当压力达到支架的额定工作阻力后，安全阀开启卸液，支架立柱行程缩短，严重时，造成支架无行程，即出现支架“压死”情况。

（2）来压时支架顶板破碎，支架接顶不严，背矸严重，初撑力达不到要求，进而易导致支架倾斜，影响工作面的正常推进。

（3）来压严重时，机道顶板同样发生破碎，超出支架前探梁及护帮板的支护范围时，则易发生顶板窜煤、漏顶事故，造成采煤机组、刮板输送机损坏及人员伤亡等。

2.3 数据分析

通过首采工作面从初采至回采结束连续将近1年的矿压实时监测数据分析，得出首采面矿压显现规律。

2.3.1 来压步距

初采时，推出切眼支护范围时（约推进9m后），顶煤开始垮落，推进至15 m～20 m时，直接顶开始垮落，至推进至55 m～65 m时，老顶垮落，即老顶初次来压步距为55 m～65 m之间，周期来压步距一般在35 m～45 m之间，来压规律、明显。具体数据如图所示。

图3 首采面各监测点来压步距

2.3.2 动载系数

（1）正常时，支架压力均保持在24 MPa～27 MPa之间，通过对首采面前20次来压统计，各监测点来压的平均压力，如表所示，中部30#～70#架来压压力大，平均可达40 MPa，工作面两头，10#～20#架、80#～90#架来压压力较小，一般在35 MPa以下。

根据矿压观察数据记录计算，动载系数一般在1.5～1.7之间，平均1.6。

图4 首采面各监测点来压压力

2.3.3 安全阀开启统计

图5 首采面各监测点来压安全阀开启率

首采面自初次来压起安全开启频繁，初次来压时30#～70#架安全均开启，开启率达到安全阀总数的45%，中部40#～50#、60#～70#架出现支架压死情况，根据矿压观测工记录，每次周期来压安全阀开启率26%～36%之间，安全阀开启频繁，且支架出现“压死”次数频繁。

3 支架支护强度验算

按现行较通用的岩石容重法公式计算支架的动载支护强度

式中：

q-支架的动载支护强度，kN∕m2；

kd-动载系数，根据首采面矿压观测情况取1.6；

M-一次采厚6.6 m，(放顶煤采厚7.95 m×回采率0.83)；

Kp-上覆冒落带岩石碎胀系数，取1.3；

γ-顶板岩石平均容重，取25 kN∕m3。

按照上式计算：首采面支架的动载支护强度为880 kN∕m2。

ZF10000支架，支架宽1.5 m，有效控顶距长6.37 m，额定支护强度为1 046 kN∕m2，实际支架工作阻力在额定工作阻力84.1%，科学合理的支架工作阻力应在额定工作阻力的60%～80%之间，理论验算和支架实际使用情况均证明4#层首采面采用ZF10000支架对其生产条件来说，选型偏小。

4 支架重新选型及应用

在燕子山矿第2个工作面8218稳装前，特重新进行支架选型，ZF12000支架，支架宽1.5 m，有效控顶距长5 980 mm，额定支护强度为1 338 kN∕m2，结合我矿4#层矿压显现情况，通过理论计算，在4#层生产条件下，该支架工作阻力达到额定工作阻力65.8%。

该矿更换ZF12000支架后，已顺利回采8218及8214两个放顶煤工作面，现正在回采8212工作面，未出现任何支架严重损坏情况。理论与实践均表明ZF12000支架对4#层放顶煤生产条件适应性较好。

5 结论

（1）合格的初撑力，能够维护顶板完整，保证老顶的顺利破断，保证周期来压正常、规律。

现场观测及数据统计发现，在保证初撑力合格的前提下，推进约3 m～5 m的距离即可通过周期来压。但若初撑力合格较低时，即使未达到周期来压步距，也会导致顶板来压。

（2）工作面布置成伪斜，可使工作面来压由大面积来压逐步转向分段来压。如8218回采期间，头尾采位差经常会达到约15 m以上，此时工作面来压明显可分为上、中、下三段来压。

（3）在工作面保持正常的推进速度时，周期来压规律、明显，当工作面推进速度减慢时，老顶下沉对支架的作用时间加长、压力加大，增加顶板管理难度。当工作面推进速度加快时，老顶下沉相对作用于支架时间、压力均会减小，有利于顶板管理。