#+TITLE红庆河矿大采高首采工作面矿压显现规律分析及支架适用性研究
本文在现有KJ21监测系统搜集数据的基础上，选择合理的工作面矿压规律分析方法，以红庆 河矿3-1 401首采工作面为分析对象，分析了工作面周期来压规律以及工作面支架的适用性， 对本矿类似条件下的工作面开采提供了指导意义，并展望了KJ21监测系统可能的优化方向。
关键词： KJ21监测系统；矿压规律分析方法；大采高；支架适用性
Abscrat:On the basis of the data collected by the existing KJ21 monitoring system, this paper selects a reasonable method to analyze the pressure regularity of the working face.The 3-1401 working face of the Hongqinghe mine is the analysis object. The periodic pressure law of the working face and the applicability of the working face support are analyzed.Itprovides guiding significance for working face mining under similar conditionsin this mine, and looks forward to the possible optimization direction of the KJ21 monitoring system.
Key word:KJ21 monitoring system; analysis method of coal mine pressure law; large mining height; application of shield support
大采高综采是“单产单面”安全高效开采的重要开采方式[4]，目前，金鸡滩煤矿已经论证 了8.2米支架一次采全高的可行性[5]，矿压显现规律研究是大采高开采中 一项必不可少的研究内容，已有的大采高综采矿压规律研究认为[6-8]：1、静载为主；2、老顶 断裂与支架压力显现关系不大；3、“大小周期”；4、周期性来压不明显。本文在现有的 KJ21监测系统基础上，针对红庆河矿首采面3-1 401大采高工作面初次来压、 周期来压及支架的实用性进行分析，采用合适的矿压数据处理、分析方法，对摸清红庆河矿 大采高综采矿压显现规律起到了一定的积极作用。
文献[1][9]中分析周期来压的方法具有代表性，事实上，1、周期来压的工作阻力判据和加权 平均阻力判据对不同的面不同的时间段不应该是一成不变的，它仅是为了方便矿压分析而进行 的数据处理手段；2、各个支架在同一次周期来压中的来压显现位置不尽相同，并非每个支 架都有明显的来压次序排列；3、动载系数的大小并不代表支架承载特征，处于工作面中部 的支架经常处于“高位”运行状态，按照动载系数的定义比其他支架的动载系数要小；4、 周期来压的分析不能一味的取平均数，这样只能以偏概全地掩盖了矿压分析中的真实状 况。文献[3]提到了目前国内外工作面矿压监测系统的劣势，本文是在KJ21监测系统搜集数 据的基础上展开的，由于在采煤工艺、现场操作、顶底板刚度以及监测系统的软硬件上考虑 各有不同，目前软件在准确判断每个支架初撑力、末阻力上偶尔会与实际情形不一致，这给 准确的分析周期来压等带来了不便。本文采用分析软件，以时间为导向，以时间对应的工作 面每班甚至每个循环的验收进尺，更加全面、合理、准确地进行了3-1 401首采工作面矿压分析。
3-1 401工作面为设计千万吨矿井红庆河矿3-1煤层首采工作面，与地面垂高平均712m， 煤层平均厚度6.0m，煤层倾角1-3°，煤硬度f=0.86-1.66，自燃倾向性为Ⅰ级，煤层结 构简单,工作面走向长2942m，倾向长241m，回风顺槽、胶运顺槽均采用矩形断面，断 面积19m2，锚网索联合支护，工作面采用大采高一次采全厚的采煤方法。如图1 所示，直 接顶为平 均19.76m的粉砂岩-砂质泥岩，基本顶为平均77.53m的中粒砂岩、含砾粗 砂岩，直接底为平均16.76m的砂质泥岩，老底为平均18.2m的粉砂岩。试验室中，中砂 岩单轴矿压强度在7.05-15.19MPa之间，粉砂岩单轴抗压强度在8.54-38.87MPa之间， 砂质泥岩单轴抗压强度在18.4-49.35MPa之间。掘进揭露的均为正断层，落差0.6-1.7m ，揭露的冲刷带7段，厚度1.5-2.4m。另外，本工作面在开采过程中，进行的水压致 裂钻孔说明，顶板岩层虽然单轴抗压强度基本不超过30MPa，但完整性较好，尤其遇到 的砾岩岩层，较为坚硬，且厚度不均。工作面基本架采用ZY15000/33/67D型掩护式液 压支架134部，过渡支架2架，端头支架6部，工作个支架（两端每隔10个 支架）安装1台安装1台KJ21顶板压力监测仪。
由图2，初次来压步距为29.6~40m，平均步距36m，来压持续距离平均3.7m，相当于4~5刀。初次来压 期间，支架动载系数为1.23~1.47，平均1.33，来压较为强烈。由图3，工作面初采时， 工作面中部先来压，两端后来压，说明了初采时工作倾向顶板 垮塌呈现“M型”。初次垮落时动载系数最大为90#架1.462，来压时与未来压时平均工作阻力对比 明显，平均支架阻力高出4000kN左右。
由于种种原因，KJ21监测系统在监测支架推进度判别上还不理想，以往的来压分析仅在各支 架来压曲线上对比分析，笔者在矿压分析中，发现采面来压并不具有一致性，具有分段来压 现象，甚至某些所谓的周期来压并不明显，采面也有出现大小周期来压交替的现象，但并没 有规律可循。如图4所示，图中圆点代表经过判据分析过滤得到的各个支架来压时对应的准确时间， 左纵轴代表时间，每0.25刻度代表1个生产班，1刻度代表1个圆班，本工作面开采采用“四 六制”，所以支架来压时判别的圆点可以精确到1个班，或者具体精确到具体的时间，右纵 坐标轴表示各生产班收尺情况，相同的数值代表工作面期间出于检修班。照此办法，可以展 现一个工作面从初采到末采顶板矿压显现的全过程。如图6 所示工作面走向方向工作面顶板 压力云图，还可以将数据进行平滑去噪处理，如图7 、图8所示，可以很清晰展示工作面沿走向开 采过程中，工作面周期来压的压力显现。在其他的时段分析 过程中，工作面接近实体煤一侧支架来压，总是有较长的未来压段，有时与工作面周期来压 不一致，一定程度长说明回风巷一侧“三角形弧板”结构的存在。工作面在推进过程中，胶 运巷顶板进行了水压致裂处理，接近煤柱一侧支架的压力，特别是超过额定工作阻力的安全 阀开启次数明显比接近实体煤一侧的少。在分析中发现，加权平均阻力、支架超过额定工作 阻力、初撑力后（降架前）支架的增阻率、安全连续开启的次数等对周期来压的分析影响比 较大。来压时与未来压时，工作面两侧受煤柱、实体煤支撑影响，支架来压前后对比没有工 作面中部明显。工作面周期来压步距范围为8-26米，来压持续长度范围为0.8-6米，工作面 来压明显时，动载系数的范围为1.22~1.38,工作面来压不明显时，动载系数的范围为 1.12~1.21。
从 9看出，各个支架的初撑力核密度分布直方图以9000-10000kN分段左右呈正态 分布。图10 ，对比了各个支架的核密度曲线，图11 ，展示了各个支架的初撑力分布的箱线图，从中能明 显看到支架的离散值点和支架平均初撑力所占的位置。 2、初撑力：首先是客观影响，现在的37.5MPa泵站压力只是瞬态最大值，也是现在泵站所能 达到的最大值；其次，工作面乳化液在某一时间段用量较大时，分配 到各个终端油缸内压力变小；第三、KJ21的算法是监测压力急剧下降滞后超过300s（5min） 的首个读值为初撑力。关于这个问题，类似还有算法是先得到取得的 最小值的位置，认为这个位置前面5个数据最大值为上循环末阻力，后面5个数据中最大值为 这个循环初撑力。第四、支架-围岩系统在力的平衡中，有时出现打 到泵压的初撑力有些许的下降，这个也是支架与顶底板点线面接触过程中自适应的表现，有 人把它称为修正初撑力，也即真正的初撑力。这一点，如果把原始数 据相对于时间求斜率，有不少负值出现，也是支架-围岩平衡过程的一个佐证。第五，自动 补液是电液控制系统对保证支架初撑力的一个起积极作用的有效设置 ，因为泵站压力也是时空变化分布的，它也许是在支架撑顶5min后才补液，这KJ21也将按算 法确定错误的初撑力值，而且这个值将在本循环结束之前一直显示预 警。第六、阀门关闭前的一小段时间进液有惯性。解决办法是把初撑力报警设定值设为 28MPa，根据有关文献，认为初撑力应该为额定工作阻力47.2MPa的60%-80 %，所以设为28MPa仍然有依据。存疑的是，初撑力与末阻力散点分布图，有明显的分界线， 与较多文献描述不一致，有待确认。
从图12看出，支架在运行过程中的阻力分布大致呈偏右的正态分布，说明该型支架的工作阻 力可以有效地支撑顶板，工作阻力的确定比较科学，但同时也说明多数支架处于“高位运 行”状态，在后期采掘影响更加复杂的条件下，或考虑增长工作面倾向长度等，以及开采煤 田局部变厚的煤层时，应该考虑额定工作阻力大于15000kN的支架。图13对比分析了各个支架运行 过程中的阻力分布。
从图14看出 1、1、4区初撑力不足，1区在初撑力不足情况下急增阻（靠左增阻斜率越大），4区右上角 出现像2区的情况。 2、2、3区初撑力合格，3区降阻，密集的2区二次微增阻型占大部分。 3、急增阻是由于移架后支架初撑力不足，支架与顶板很难达到相对平衡；二次急增阻型表 明支架初撑力稍低于需求值，随着顶板的下沉，支架立柱下缩并增阻 ，支架与围岩重新达到相对平衡的状态，支架在工作过程中通常处于此类受力状态；微增阻 以及降阻类型理论上是因为支架在实际工作过程中初撑力偏高，升架 结束后瞬间达到支架与围岩的相对平衡状态，由于工作面顶板接触不实且底板（受水等）偏 软，升架结束后支架与围岩暂时达到相对平衡的状态，随着顶板上煤 矸露出或支架底板下陷等原因，支架工作阻力有所下降，随后达到一个新的平衡状态。
本文在论述工作面矿压规律分析方法的基础上，分析表明红庆河矿3-1 401首采工作面周期来 压范围较大，利用二维散点图、三维云图充分展示了工作面的周期来压情况，而不是一味的 取平均值的方法来概括周期来压的具体性，避免了靠人为对比每个支架的来压曲线来找出周 期来压的不科学性，以及忽略了工作面来压的分段性而一味强调按次序分析的周期来压。 文献[2]中采用LVA软件既分析了矿压，又利用了分析的结果进行工作面顶板垮塌的 综合因素下的提前预警。未来KJ21监测系统可以增强可视化并增加工作面来压前的预警设置。 还可以将数据搜集的形式由单个支架独立获取，变为总线设置定时搜集，在工作面倾向上利 用加权阻力分析的方法，罗列在工作面走向上顶板压力的等值线图，以便更准确的掌握工作 面来压情况。用于科研需要时，最好全工作面布置传感器，在数据搜集频率上需要缩小至1 s以内，正如文献[10]分析的一样，利用本架在采煤机滚筒割煤后和拉临架后，对本架支架 压力产生的影响力来分析工作面矿压规律。条件允许时，应加强软硬件方面的融合，建议 KJ21监测系统增加读入天玛电液矿压搜集数据的接口，尤其是支架推移千斤顶的数据，以弥 补软件在准确判别各个循环起始、结束时的不足以及准确地在工作面上定位的问题。
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