“三軟”煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)特征分析

趙 君

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心,山西大同 037003)

“三軟”煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)特征分析

趙 君

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心,山西大同 037003)

通過(guò)對(duì)工作面圍巖活動(dòng)規(guī)律、支架與圍巖力學(xué)關(guān)系的理論分析,以及工作面礦壓觀測(cè),分析了“三軟”煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與特征,指導(dǎo)解決了“三軟”煤層綜采放頂煤生產(chǎn)中存在的實(shí)際問(wèn)題。

“三軟”煤層;綜放;礦山壓力

軒崗煤電公司主要可采煤層 5號(hào)層 (俗稱上冒丈,冒頂通常一丈高),煤層硬度系數(shù) f=0.5～0.7,直接頂為砂質(zhì)頁(yè)巖、泥巖互層,底板多為砂質(zhì)泥巖,硬度系數(shù)小于 3.0,為“三軟”煤層。研究“三軟”煤層綜采放頂煤開(kāi)采礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律與特征,掌握適合“三軟”煤層特點(diǎn)的開(kāi)采理論與技術(shù),解決生產(chǎn)實(shí)踐中存在的實(shí)際問(wèn)題,為“三軟”煤層綜采放頂煤工作面的設(shè)計(jì)、開(kāi)采、管理提供科學(xué)依據(jù),從而實(shí)現(xiàn)安全高效開(kāi)采,提高資源采出率和經(jīng)濟(jì)效益。

1 工作面上覆煤巖活動(dòng)模型的建立

隨著工作面的推進(jìn),工作面頂煤將順次經(jīng)過(guò)頂煤完整區(qū)、頂煤破壞和發(fā)展區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)、頂煤冒放區(qū),直到完全破碎而由放煤口放出。上覆煤巖活動(dòng)模型如圖 1。

“三軟”煤層長(zhǎng)壁綜放工作面上覆煤巖活動(dòng)具有支承壓力峰值深入工作面煤壁、關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)上移、松散煤巖體構(gòu)成“移動(dòng)散體拱”的特征,工作面支架載荷并不大。

頂板壓力通過(guò)剛度很低的頂煤傳遞,支架載荷與頂煤強(qiáng)度有關(guān),頂煤的強(qiáng)度小、完整性差,支架載荷就小,反之亦然,因此,工作面支架工作阻力相對(duì)較低。

圖1 上覆煤巖活動(dòng)模型

由于破斷巖梁距離工作面較高,而且有頂煤作墊層,所以工作面周期來(lái)壓強(qiáng)度不大、顯現(xiàn)不明顯。但是,在正?；夭蛇^(guò)程中,不規(guī)則垮落帶懸梁周期性垮落,以及采空區(qū)內(nèi)矸石對(duì)懸?guī)r側(cè)向擠壓形成的拱式平衡,在跨度增加到一定程度時(shí)的失穩(wěn)也會(huì)引起小規(guī)模的壓力波動(dòng)。

2 工作面端面受力分析

“三軟”煤層綜放工作面,在頂煤節(jié)理和裂隙比較發(fā)育、遇有局部斷層、褶曲構(gòu)造以及基本頂來(lái)壓、工作面推進(jìn)速度較慢時(shí),容易發(fā)生工作面端面冒漏頂事故。

相關(guān)的有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,支架前上方存有拉應(yīng)力區(qū),僅改變端面距,支架前上方應(yīng)力狀態(tài)即發(fā)生較大變化。支架前上方應(yīng)力分布如圖 2所示。

圖2 支架前上方應(yīng)力分布

對(duì)“三軟”煤層綜放面,端面頂煤是不能承受任何拉應(yīng)力的,該拉應(yīng)力區(qū)的存在,是形成端面冒頂?shù)闹饕?。該拉?yīng)力區(qū)應(yīng)力值受 4個(gè)參數(shù)的影響:端面距、水平支承力、垂直支承力以及支架合力作用點(diǎn)與煤壁之間的距離。其中端面距的影響居于首位,其他一些參數(shù)的交互作用也很明顯。

3 工作面支架與圍巖力學(xué)關(guān)系分析

增大支架工作阻力,可有效控制頂板,但阻力過(guò)大,必將增加支架重量與造價(jià),因此,支架工作阻力必須選擇合理。直接頂?shù)目迓涓叨扰c采高有關(guān),支架受力主要是直接頂 (包括頂煤)產(chǎn)生的靜壓和動(dòng)壓。支架受力力學(xué)模型 (如圖 3所示)可考慮下列因素:

圖3 放頂煤開(kāi)采支架受力模型

(1)工作面頂煤及頂板斷裂線超前發(fā)生在煤壁內(nèi),當(dāng)斷裂線移至工作面煤壁附近時(shí),支架承受載荷最大,以此作為計(jì)算基礎(chǔ)。

(2)支架上方采空區(qū)一側(cè)頂煤、巖層按垮落角上伸,其側(cè)面有垮落的矸石支撐,且對(duì)頂煤、巖層的下沉具有向上的摩擦阻力。

(3)放頂煤開(kāi)采垮落帶較高,基本頂載荷 Q3,或稱為裂隙體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形成的載荷,發(fā)生在下位裂隙帶內(nèi),即使巖塊間在有剪切滑移的情況下仍能繼續(xù)依靠橫撐力而形成裂隙體梁式平衡結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)以上的載荷對(duì)支架的影響可忽略不計(jì)。

可按 ∑Fy=0建立下列方程

式中,P為支架合理支撐力,kN/架;Q1為頂煤重,Q1=M2·l·γm;Q2為直接頂重,Q2=h·l· γz;K為考慮砌體梁失穩(wěn)時(shí)附加力的動(dòng)載壓系數(shù); R為頂板在煤壁斷裂線處的摩擦阻力,按支架阻力處于極限情況,取 R=0;N為碎矸和部分規(guī)則垮落帶的橫撐力;F為塊矸和頂煤、巖層間摩擦力, F=N·tan<。

(4)頂板壓力通過(guò)頂煤傳遞,頂煤破壞情況決定了支架外載合力作用點(diǎn)的位置。頂煤在頂梁前、后部易破碎,且頂煤在支架寬度范圍內(nèi)由于煤層傾角等原因剛度不勻也會(huì)引起支架受扭,造成支架偏載。

(5)放頂煤工作面是一次采全厚,雖然由于一次采高增加引起支承壓力增加,但壓力并不很大,而且礦壓顯現(xiàn)較分層開(kāi)采緩和。

4 工作面礦壓觀測(cè)與分析

軒崗煤電劉家梁礦 5號(hào)煤層 5117工作面,煤層埋深 280m左右,厚度 5.81～13m,平均 8.5m。工作面傾斜長(zhǎng)度 110m,走向長(zhǎng)度 780m。工作面運(yùn)輸巷一側(cè)為實(shí)體煤,運(yùn)料巷一側(cè)隔 20m煤柱為5115工作面采空區(qū),兩巷均沿煤層底板掘進(jìn)。工作面采用 70架 ZF3100/16/26型支撐掩護(hù)式支架和1架 ZF3600/17.5/27型過(guò)渡支架支護(hù)頂板,機(jī)采高度 2.5 m,采用多輪順序均勻放煤方法,兩端頭各有 2架不放煤。

工作面采用 ZYDC-Ⅲ型綜采支架連續(xù)記錄儀監(jiān)測(cè)記錄液壓支架阻力,工作面共布置 5條測(cè)線。其中,工作面頭部、中部與尾部的支架前、后柱壓力變化曲線如圖 4、圖 5、圖 6,支架工作阻力統(tǒng)計(jì)直方圖,如圖7。

分析連續(xù)記錄儀實(shí)測(cè)資料,并結(jié)合宏觀礦壓觀測(cè)資料分析得出:

(1)工作面初次來(lái)壓步距為 11m,周期來(lái)壓步距為 8～10m,來(lái)壓強(qiáng)度不大。

(2)工作面支架運(yùn)行特征為一次增阻,通常是前柱壓力大于后柱,來(lái)壓時(shí)后柱有時(shí)是受拉力。

(3)工作面支架工作阻力成正態(tài)分布,能夠滿足支護(hù)要求,壓力在 1500～2400kN之間,與支架額定工作阻力 3100kN相比,處于較低的壓力區(qū)間。

圖4 頭部測(cè)線曲線

圖5 中部第1條測(cè)線曲線

圖6 尾部測(cè)線曲線

圖7 工作阻力統(tǒng)計(jì)直方

5 結(jié) 論

(1)“三軟”煤層綜放工作面來(lái)壓步距相對(duì)較小、礦壓顯現(xiàn)不明顯,選擇較低工作阻力的輕型液壓支架能夠滿足工作面支護(hù)需求。

(2)改善支架端部結(jié)構(gòu),加大支架前梁的支護(hù)強(qiáng)度和支架水平推力,可改善端面受力狀況。

(3)工作面壓力表現(xiàn)為中部大、兩端偏小,證實(shí)在工作面采空區(qū)上方存在拱式平衡結(jié)構(gòu),支架只承擔(dān)拱內(nèi)頂煤和巖層的重量。

(4)在生產(chǎn)過(guò)程中,移架后及時(shí)伸出前探梁縮小端面距,頂板破碎時(shí)采取及時(shí)支護(hù)、擦頂帶壓移架,縮短頂板暴露時(shí)間,遇構(gòu)造或煤體破碎時(shí)降低機(jī)采高度,可有效避免工作面漏冒頂事故。

通過(guò)采取針對(duì)性的技術(shù)措施,防止了工作面漏頂、支架偏載傾斜、后柱受拉損壞等事故的發(fā)生,保障了工作面安全生產(chǎn),經(jīng)濟(jì)效益顯著。

[1]陳炎光,錢(qián)鳴高.中國(guó)煤礦采場(chǎng)圍巖控制 [M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1994.

[2]金智新,于海勇 .綜采放頂煤開(kāi)采理論與實(shí)踐 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2006.

[3]董志峰,吳 健 .輕型放頂煤液壓支架及其與圍巖關(guān)系理論與實(shí)踐 [M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2003.

[責(zé)任編輯:鄒正立]

Underground Pressure Behavior Characteristic of Full-mechan ized CavingM in ing Face with Soft Roof,Soft Coal and Soft Floor

ZHAO Jun

(Technical Centre,Datong Coal Group Co.,Ltd,Datong 037003,China)

This paper researched underground pressure behavior rule and characteristic of full-mechanized cavingmining face with soft roof,soft coal and soft floor by theoretical analysis ofmovement rule of surrounding rock andmechanics relationship of powered support and surrounding rock.Resultsmay be used to instruct solving actual problems in full-mechanized caving mining coal seam with soft roof,soft coal and soft floor.

“3 soft”coal seam;full-mechanized cavingmining;underground pressure

TD324

A

1006-6225(2010)05-0086-03

2010-06-17

趙 君 (1965-),男,山西大同人,高級(jí)工程師。