近淺埋煤層大采高綜采面礦壓規(guī)律研究

溫賀興，杜福榮，2，孟祥甜，郝震源

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010；2.神東天隆集團(tuán)，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017000）

近淺埋煤層大采高綜采面礦壓規(guī)律研究

溫賀興1，杜福榮1，2，孟祥甜1，郝震源1

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010；2.神東天隆集團(tuán)，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017000）

霍洛灣煤礦所采煤層為近淺埋煤層，其22110工作面為一盤區(qū)第四個(gè)綜采面，同時(shí)也是末采面，工作面賦存條件與接替的二盤區(qū)工作面條件及其相似，具體表現(xiàn)在煤層厚度、頂?shù)装鍘r性、傾角、埋藏深度等。經(jīng)對(duì)其進(jìn)行礦壓觀測(cè)研究及支架適應(yīng)性，得到工作面來壓步距、過谷溝地形的礦壓規(guī)律及支架工作阻力與動(dòng)載系數(shù)，研究結(jié)論對(duì)二盤區(qū)安全高效開采具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，對(duì)可能存在的問題得以提前判知與解決。

近淺埋煤層；大采高；礦壓觀測(cè)；礦壓規(guī)律；支架適應(yīng)性

近淺埋煤層在淺埋深、薄基巖、厚松散層條件下開采,其支架必須有高工作阻力才能有效控制厚松散層作用下基巖沿煤壁切落。但這必須是建立在綜采機(jī)械設(shè)備選型合理并保證良好的運(yùn)行狀況的基礎(chǔ)上的,否則不能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效[1-2]。

霍洛灣礦年生產(chǎn)能力300萬t,全礦井一個(gè)綜采隊(duì)，一個(gè)連采隊(duì),屬于一井一面高產(chǎn)高效礦井。工作面距地表一般在170m左右,但由于開采煤層賦存條件、煤巖力學(xué)性質(zhì)以及煤層厚度的區(qū)域化的存在,特別是煤層埋藏深度的增大使得其大采高綜采工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與周邊神東煤炭集團(tuán)公司下屬的煤礦工作面礦壓規(guī)律具有較大差異性,故而在具體生產(chǎn)實(shí)踐中沒有具體實(shí)例指導(dǎo),同時(shí)國(guó)內(nèi)對(duì)基巖較厚的礦壓規(guī)律和頂板結(jié)構(gòu)理論研究不多,開采缺乏必要的理論與實(shí)踐指導(dǎo),因此本文通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與理論分析,對(duì)該礦進(jìn)行礦壓規(guī)律分析及支架適應(yīng)性研究與探討,所得結(jié)論能為該礦二盤區(qū)的安全高效開采提供理論支持和經(jīng)驗(yàn)借鑒,同時(shí)為工作面圍巖控制與支架選型設(shè)計(jì)提供依據(jù)[3-4],對(duì)可能存在的問題得以提前判知與解決。

1 工作面概況

霍洛灣礦位于東勝煤田補(bǔ)連區(qū)東北部,22110工作面采2-2煤,面長(zhǎng)200 m,推進(jìn)長(zhǎng)度610 m,煤層傾角1°～3°,煤層厚度5.42～5.96 m,設(shè)計(jì)采高5m。工作面回風(fēng)巷道側(cè)為800m采空區(qū),進(jìn)風(fēng)巷道側(cè)為400 m公路保護(hù)煤柱。工作面埋深149.6～ 187.2 m,平均171.6 m；基巖厚度125～160 m,松散層厚度24m,為近淺埋長(zhǎng)壁工作面條件。

煤層直接頂為1.01m深灰色砂質(zhì)泥巖,基本頂為16.8m灰白色細(xì)砂巖,工作面采用ZY86400/25.5/ 55型掩護(hù)式支架,支護(hù)強(qiáng)度1.02～1.07MPa,工作阻力42.5MPa,泵站供液額定壓力為31.5MPa[5]。

2 基本頂初次來壓步距理論計(jì)算

22110面為第4個(gè)綜采面,屬于近淺埋埋藏條件,工作面初采采用深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂,同時(shí)認(rèn)為淺部礦井巖層頂板由于兩端煤體上集中壓力較小,因而可視為帶有系數(shù)的簡(jiǎn)支梁支座[6],從眾多文獻(xiàn)來看,系數(shù)一般在65％～75％之間。來壓步距計(jì)算式為：

式中：h為基本頂厚度,16.8 m；RT為基本頂抗拉強(qiáng)度,取3.86～4.3MPa；q為單位面積基本頂?shù)妮d荷, q=9.8hγ=0.41×105MPa（γ是基本頂?shù)膸r石密度,取2.510×103kg/m3）。將各參數(shù)代入計(jì)算得L=38.66～47.12m。

3 工作面礦壓觀測(cè)

3.1 礦壓觀測(cè)方案

為全面了解掌握礦壓規(guī)律,觀測(cè)范圍從開切眼起直到推進(jìn)到160m止,工作面118臺(tái)支架分5個(gè)測(cè)區(qū)布置,測(cè)區(qū)Ⅰ（8#，9#，10#架）；測(cè)區(qū)Ⅱ（33#，34#， 35#架）；測(cè)區(qū)Ⅲ（58#，59#，60#架）；測(cè)區(qū)Ⅳ（83#，84#，85#架）；測(cè)區(qū)Ⅴ（108#，109#，110#架）[7],見圖1。支架采用重慶航天工業(yè)公司KJD127煤礦頂板壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和支架EEP對(duì)支架壓力進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),PM4傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集,設(shè)置為15 min采集一次,用系統(tǒng)自帶軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3.2 工作面礦壓觀測(cè)結(jié)果

3.2.1 工作面初采期間

工作面放頂前,采高保持3.6～4.0 m之間。由于老頂較厚,同時(shí)抗拉強(qiáng)度大,為破壞頂板的完整性,使頂板早日跨落,減少初次來壓步距及巨大載荷, 6月22日在工作面推進(jìn)4m后打眼放炮,進(jìn)行強(qiáng)制放頂,形成長(zhǎng)205.4 m,寬3 m,深11 m槽,6月26日0點(diǎn)班開始生產(chǎn)。此時(shí)逐步提高采高,5刀后達(dá)到設(shè)計(jì)采高。此到工作面初次來壓期間,壓力都不大,在25.5～30MPa間,見圖2。

3.2.2 老頂初次來壓

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),工作面自開切眼推進(jìn)51.2 m時(shí),支架阻力急劇增大,32～77＃支架溢流閥基本開啟,達(dá)到42.5 MPa；39～48＃支架間煤壁大面積偏幫,深度0.8～1m；支架后方采空區(qū)有劇烈的巖石破裂聲。由此判定工作面初次來壓,來壓步距51.2 m,與爆破效果一般時(shí)的理論計(jì)算值比較接近。來壓期間與平時(shí)支架壓力,見圖3。 3.2.3老頂周期來壓

收集的數(shù)據(jù)整理成表,見表1。各個(gè)測(cè)區(qū)的周期來壓步距不一,主要表現(xiàn)為采空區(qū)側(cè)來壓步距比保護(hù)煤柱側(cè)小,周期來壓步距9.6～16.8m,動(dòng)載系數(shù)1.16～1.56,其中2,3,4三個(gè)測(cè)站動(dòng)載系數(shù)較大。

4 支架適應(yīng)性

4.1 支護(hù)強(qiáng)度理論計(jì)算

圖1 22110工作面礦壓觀測(cè)測(cè)區(qū)布置

圖2 初采期間支架壓力

圖3 來壓期間與平時(shí)支架壓力對(duì)比

表1 周期來壓期間工作面各測(cè)區(qū)情況

采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算支護(hù)強(qiáng)度式中：P為工作面的支護(hù)強(qiáng)度；H為采高,5m；γ為頂板巖石密度,取2.51×103 kg/m3；Κ為工作面支柱應(yīng)該支護(hù)的上覆巖層厚度與采高之比,一般取4～8,按最大支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算,取8[8]。

P=9.8×5×2.510×8=0.98 MPa

計(jì)算結(jié)果在所選用ZY86400/25.5/55型支架支護(hù)強(qiáng)度范圍內(nèi)。

4.2 支架壓力頻率分布直方圖

對(duì)觀測(cè)期間內(nèi)周期來壓時(shí)支架壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,繪制出周期來壓時(shí)支架壓力頻率分布直方圖,見圖4。 4.3支架壓力分析

根據(jù)礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù),支架初撐力主要分布在25.5 MPa～27.5 MPa之間,平均為工作阻力的63.5％,離初撐力合格值還有較大差距。在首采面開采時(shí),初撐力為34 MPa（額定初撐力）,液壓管路系統(tǒng)容易發(fā)生爆裂,故而調(diào)至工作阻力的60％。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及本礦前三個(gè)面情況,立柱初撐力小,支撐系統(tǒng)剛度小,支架達(dá)到額定工作阻力的時(shí)間增長(zhǎng),板下沉量大造成工作面煤頂壁片幫和端面破碎,冒頂現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,周期來壓時(shí),尤其明顯[9]。因此建議更換液壓管路系統(tǒng),保證達(dá)到額定初撐力。

4.4溝谷地形礦壓

在周期來壓期間,40％的支架溢流閥開啟,達(dá)到最大工作阻力,初步認(rèn)為支架選型時(shí)未充分考慮地形條件對(duì)工作面頂板壓力的影響,工作面礦壓受到溝谷地形影響較大,特別是在經(jīng)過溝谷上坡段過程中壓力顯現(xiàn)更大[10]。建議在二盤區(qū)開采時(shí),要注意地面的起伏情況,特別是在上坡段期間的周期來壓,制定特別作業(yè)規(guī)程,加強(qiáng)工作面生產(chǎn)管理。

5 結(jié)論

1）工作面初次來壓步距51.2m,周期來壓步距9.6 m～16.8 m；中部偏采空區(qū)側(cè)步距較正常值小,兩端步距大。

2）工作面支架阻力變化較大,表現(xiàn)為中部偏采空區(qū)側(cè)大,兩端小,約為1.5倍。

3）建議更換液壓管路系統(tǒng),確實(shí)提高初撐力,使支架工作阻力得到快速發(fā)揮,利于頂板管理。

4）設(shè)備在二盤區(qū)開采是可適用的,針對(duì)地表溝谷地形的情況,需提前制定相應(yīng)措施,避免動(dòng)載礦壓危害。

圖4 支架壓力頻率分布直方圖

[1]侯忠杰,謝勝華,張杰.地表厚土層淺埋煤層開采模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2003,23（4）：357-360.

[2]閆光準(zhǔn).張家茆14202綜采工作面礦壓規(guī)律分析[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011,31（5）：515-518.

[3谷拴成,李昂,樊志斌.澄合礦區(qū)中厚煤層綜采面礦壓顯現(xiàn)特征研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2012,32（2）：186-192.

[4]崔廷鋒,張東升,范鋼偉.淺埋煤層大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架適應(yīng)性[J].煤礦科學(xué)技術(shù),2011,39（1）：25-28. [5]杜福榮,溫賀興,徐曉宏.近淺埋煤層大采高綜采面上隅角CO治理[J].采礦技術(shù),2013,13（1）：49-51.

[6]錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[7]李金華,谷拴成,李昂.淺埋煤層大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,30（4）：407-416.

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[9]郭朋星,趙輝.大采高支架的適應(yīng)性與穩(wěn)定性分析[J].煤炭技術(shù),2010,29（12）：4-6.

[10]許家林,朱衛(wèi)兵,王曉振.溝谷地形對(duì)淺埋煤層礦壓顯現(xiàn)的影響機(jī)理[J].煤炭學(xué)報(bào),2012,37（2）：179-185.

〔責(zé)任編輯 石白云〕

Study on Characteristics of Strata Behavior of Large Mining Height
Fully-Mechanized Mining Coal Face in Shallow Seam

WEN He－xing1，DU Fu－rong1，2，MENG Xiang－tian1，HAO Zhen－yuan1
（1.School ofMining Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou Inner Mongolia，014010；2.Shendong Tianlong Group Co.，Ltd.，Ordos Inner Mongolia，017000）

The 22110 work face is the fourth fullymechanized coal face in panel 1 of Huoluowan coalmine，also the last－mining face，and very similar to the conditions in forthcoming exploitation of panel 2.Aftermine pressure observation and power support suitability，the conclusion has realistic instructive significance on guiding high efficiency and safe mining of panel 2，also it can solve the problem in advance.

shallow seam；large mining height；mine pressure observation；characteristics of stata behavior；power support suitability

TD323

A

2013－08－08

溫賀興（1987－），男，福建龍巖人，在讀碩士，研究方向：礦山壓力與巖層控制。

1674－0874（2013）05－0078－03