超短孤島輕放面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架適應(yīng)性研究

楊東輝李永明康全玉翟新獻(xiàn)

(1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院,山西省大同市,037003; 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 3.河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,河南省焦作市,454003; 4.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南省焦作市,454003)

超短孤島輕放面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架適應(yīng)性研究

楊東輝1,2李永明1康全玉2翟新獻(xiàn)3

(1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院,山西省大同市,037003; 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 3.河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,河南省焦作市,454003; 4.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南省焦作市,454003)

基于鑫龍煤業(yè)紅嶺煤礦中硬較薄厚煤層15141超短孤島輕放面的開采條件,采用圓圖壓力自計(jì)儀,連續(xù)記錄輕型放頂煤液壓支架的工作阻力,分析了支架工作阻力的循環(huán)變化規(guī)律,以及工作面沿面長方向的壓力分布特征。

中硬厚煤層 孤島工作面 放頂煤工作面 輕型液壓支架 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 支架適應(yīng)性

近十幾年來,我國逐步試驗(yàn)、發(fā)展和完善了輕型放頂煤液壓支架綜合機(jī)械化開采技術(shù)(簡稱輕放開采),與其它放頂煤液壓支架相比,輕放支架具有外形尺寸小、重量輕、拆裝運(yùn)方便、安全性好、適用性強(qiáng)等特點(diǎn),特別適用于地質(zhì)條件較為復(fù)雜的中小型礦井較薄厚煤層、三軟煤層、厚度變化大的煤層,也適用于邊角煤、殘留煤柱的放頂煤開采,是一類很有發(fā)展前途的放頂煤液壓支架。

目前對(duì)超長孤島綜放面條件下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了一些研究,認(rèn)識(shí)到超長孤島綜放面支承壓力兩端大,中間小,老頂覆巖內(nèi)的支承壓力在工作面前方存在兩個(gè)峰值區(qū)域等。但是,在綜合了中硬較薄厚煤層超短孤島輕放條件下的工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律卻少有研究,因此,研究該條件下頂板支承壓力的分布規(guī)律及支架的適應(yīng)性,為今后類似地質(zhì)條件下實(shí)施輕放開采,提高機(jī)械化水平,回收煤炭資源和安全高效開采提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 工作面概況

紅嶺煤礦15141面為輕放孤島工作面,回風(fēng)平巷側(cè)留20 m寬煤柱,運(yùn)輸平巷側(cè)留5 m寬煤柱,工作面埋深537～662 m,走向長度561～582 m,傾斜長度63～133 m,平均80 m,開采面積約43391 m2。工作面開采二1煤層,煤層為單斜構(gòu)造,傾角12°～15°,厚度4.2～5.2 m,平均5 m,采高2.0 m,放頂煤高度3.0 m,采放比1：1.5,煤層硬度系數(shù)1.5～1.9,屬于中硬煤,巖石碎脹系數(shù)為1.4。工作面采用走向長壁后退式采煤法。15141工作面煤層頂?shù)装逄卣魅绫?所示,開采煤層圍巖屬于易控圍巖。

表1 煤層頂?shù)装逄卣?/p>

工作面選用ZF2400－16/24型輕型放頂煤液壓支架87架,該支架主要技術(shù)指標(biāo)為支架高度1.6～2.4 m,中心距1.22～1.29 m,初撐力1940 k N,工作阻力2400 k N,支護(hù)強(qiáng)度0.553 MPa,底板比壓1.3 MPa,支柱缸徑120 mm,推移步距600 mm。

2 工作面礦壓觀測分析

為了研究中硬較薄厚煤層超短孤島輕放面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的新特點(diǎn),在15141工作面的上部、中部和下部布置3個(gè)測區(qū)、5條測線,每條測線1架支架,從機(jī)頭到機(jī)尾自下而上依次為下部的2＃、7＃、中部的26＃、32＃和上部的50＃支架,工作面測站布置示意圖見圖1。在每個(gè)支架前后柱上各安設(shè)1臺(tái)圓圖壓力自記儀,整個(gè)工作面共布置10套,對(duì)支架工作阻力進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。

圖1 工作面測站布置圖

2.1 工作面沿走向方向的壓力分布

自15141工作面推進(jìn)到距開切眼220 m處,對(duì)3個(gè)測區(qū)進(jìn)行連續(xù)30 d的實(shí)時(shí)監(jiān)測,期間,工作面共推進(jìn)了57.6 m,經(jīng)歷了3次周期來壓,對(duì)每架支架的工作阻力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理,得出2＃、7＃、26＃、32＃和50＃支架循環(huán)末阻力隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線,如圖2所示,圖中可以看出,隨工作面推進(jìn),支架循環(huán)末阻力表現(xiàn)出一定的上下波動(dòng),但波幅較小,即工作面動(dòng)載系數(shù)較小,老頂周期來壓比較緩和。工作面上部(50＃支架)和下部(2＃和7＃支架)測區(qū)支架循環(huán)末阻力普遍比中部(26＃和32＃支架)略大些。從礦壓監(jiān)測點(diǎn)開始,工作面推進(jìn)9.0 m左右,中部測區(qū)出現(xiàn)壓力峰值,平均1302 k N,推進(jìn)到13.2 m處,上部和下部測區(qū)出現(xiàn)壓力峰值,分別為1537 k N、1796 k N,隨工作面推進(jìn),除26＃支架外,其余4架支架在31.8 m、50.0 m左右處,均出現(xiàn)壓力峰值,可以認(rèn)為工作面周期來壓大體一致。

圖2 支架循環(huán)末阻力與推進(jìn)距離關(guān)系

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù),整理得出15141工作面老頂來壓特征匯總,如表2所示。

(1)工作面上部測區(qū)周期來壓步距平均20.1 m,來壓影響范圍2.7 m,動(dòng)載系數(shù)平均1.15。來壓與非來壓期間支架時(shí)間加權(quán)工作阻力(Pt)平均1237.9 k N和1075.7 k N,分別占額定工作阻力的51.6%和44.8%。

(2)工作面中部測區(qū)周期來壓步距平均18.5 m,來壓影響范圍在4.9～6.5 m,動(dòng)載系數(shù)平均1.30。來壓與非來壓期間支架時(shí)間加權(quán)工作阻力平均1078.9 k N和851.5 k N,分別占額定工作阻力的45.0%和35.5%。

(3)工作面下部測區(qū)周期來壓步距平均18.4 m,來壓影響范圍在3.9～8.1 m,動(dòng)載系數(shù)平均1.19。來壓與非來壓期間支架時(shí)間加權(quán)工作阻力平均1468.7 k N和1250.0 k N,分別占額定工作阻力的61.2%和52.1%。

表2 工作面老頂來壓特征

綜上所述,孤島輕放面不同部位頂板來壓大體一致,與類似條件下常規(guī)工作面相比,老頂來壓時(shí)動(dòng)載系數(shù)有所減小,尤其是輕放面中部,支架阻力相對(duì)較小,不到額定工作阻力的50%,說明在中硬較薄厚煤層超短孤島輕放面條件下,工作面整體壓力有減緩趨勢。

2.2 工作面沿傾斜方向的壓力分布

圖3為輕放面在推進(jìn)過程中沿傾斜方向頂板壓力分布,在工作面推進(jìn)過程中,沿傾斜方向,工作面壓力呈兩端大、中部小的特點(diǎn)。之所以形成這樣的現(xiàn)象,主要是工作面兩端分別受到15121和15161采空區(qū)的影響,造成15141成為孤島工作面,上下端頭受壓較大,2＃支架循環(huán)末阻力最大為1548.8 k N。同時(shí)中部測區(qū)26＃和32＃支架區(qū)域有斷層存在,節(jié)理比較發(fā)育,煤體較破碎,剛度小,吸收了大部分上覆巖層的能量,致使支架受壓較小。又由于運(yùn)輸平巷一側(cè)受小煤柱的影響,工作面下部壓力高于上部。因此,應(yīng)加強(qiáng)上下端頭及其超前支護(hù)巷道部分的頂煤控制,提高圍巖的穩(wěn)定性。

3 工作面支架的承載特征及其適應(yīng)性分析

3.1 支架支護(hù)阻力的頻率分布

圖3 工作面傾斜方向工作阻力

支架工作阻力反映了工作面頂板的壓力大小、支架的適應(yīng)性以及支護(hù)效能的發(fā)揮程度,輕放面5條測線支架工作阻力實(shí)測整理結(jié)果如表3所示,支架初撐力普遍偏低;支架時(shí)間加權(quán)工作阻力平均1127.7 k N,為額定初撐力(1940 k N)的58.1%;同時(shí)支架循環(huán)末阻力平均1231.3 k N,為額定初撐力的63.5%;支架時(shí)間加權(quán)工作阻力最大值平均1473.3 k N,為額定初撐力的75.9%;支架循環(huán)末阻力最大值平均1554.7 k N,為額定初撐力的80.1%。這說明支架工作阻力仍有一定的富裕量,其性能沒有得到充分的發(fā)揮。

圖4和圖5分別為支架初撐力和循環(huán)末阻力的頻率分布直方圖,從圖中可以看出,5架支架平均初撐力在0～500 k N、500～1000 k N、1000～1500 k N、1500～2000 k N和2000～2500 k N區(qū)間的分布頻率依次為7.23%、39.15%、50.44%、3.17%和0.00%;整體支架平均循環(huán)末阻力在相同區(qū)間的分布頻率依次為3.17%、22.93%、55.73%、16.93%和1.23%,說明支架工作阻力主要集中在500～1500 k N之間。

圖5 支架循環(huán)末阻力頻率分布直方圖

3.2 支架前后立柱的壓力變化

圖6為支架阻力前柱大于后柱頻率統(tǒng)計(jì)情況,分析表明除50＃支架外其它4架支架循環(huán)內(nèi)的初撐力、循環(huán)末阻力和時(shí)間加權(quán)平均阻力前柱都普遍大于后柱,5個(gè)支架循環(huán)內(nèi)的初撐力、循環(huán)末阻力和時(shí)間加權(quán)平均阻力前柱大于后柱的頻率依次為75.13%、76.19%和73.54%,這反映了輕放開采支架前后立柱壓力變化的新特點(diǎn)。

圖6 支架阻力前柱大于后柱頻率分布直方圖

3.3 工作面支架的工作特性

由于每循環(huán)中頂煤不斷放出,有時(shí)出現(xiàn)超前冒落,工作面支架會(huì)發(fā)生降阻現(xiàn)象,據(jù)統(tǒng)計(jì)支柱的降阻運(yùn)行特性占總計(jì)4%～23%,平均12.5%。分析表明工作面上、下、中部支架降阻比例分別占總計(jì)4.2%、20.5%、6.3%,上、下部較小,中部較大;支架增阻量在0～2000 k N區(qū)間的比例分別占86.2%、91.3%、58.23%;循環(huán)增阻速率大多為0～1100 k N/h,在上述區(qū)間的比例分別占83.16%、40.54%和89.34%。

可見,在超短孤島輕放面條件下,支架增阻量在工作面上、下部增加顯著,說明輕放面兩端上覆巖層活動(dòng)程度增強(qiáng),頂板壓力顯著增加。

3.4 支架的適應(yīng)性分析

紅嶺煤礦15141超短孤島輕放面所用的ZF2400－16/24型輕型放頂煤液壓支架,來壓期間時(shí)間加權(quán)工作阻力平均1266.57 k N/架,占額定工作阻力的52.8%,循環(huán)末阻力平均1428.59 k N/架,占59.5%。支架循環(huán)末阻力大于2000 k N的比例僅為1.23%,工作阻力仍有較大的富裕,支護(hù)參數(shù)能夠適應(yīng)15141輕放面的覆巖活動(dòng)規(guī)律,保持良好的支架圍巖關(guān)系,及時(shí)有效地防止端面頂煤的冒落,使支架保持較好的位態(tài),確保工作面生產(chǎn)的良性循環(huán)。因此,該輕型放頂煤液壓支架在15141超短孤島輕放工作面具有較好的適應(yīng)性。

4 結(jié)論

(1)中硬較薄厚煤層15141超短孤島輕放面周期來壓比較緩和,動(dòng)載系數(shù)平均1.22,不同部位頂板來壓大體一致,上、中、下部周期來壓步距平均分別為20.1 m、18.5 m和18.4 m。

(2)工作面支架工作阻力普遍前柱大于后柱,降阻量在上、下部增加顯著,說明兩端上覆巖層活動(dòng)程度增強(qiáng),頂板壓力顯著增加。

(3)來壓和非來壓期間,沿面長方向工作面壓力呈兩端大、中部小的特點(diǎn),且下部高于上部。因此,應(yīng)加強(qiáng)上下端頭及其超前支護(hù)巷道部分的頂煤控制,提高圍巖的穩(wěn)定性。

(4)ZF2400－16/24型輕型放頂煤液壓支架的支護(hù)參數(shù)合理,能及時(shí)有效地防止端面頂煤的冒落,在15141超短孤島輕放面具有較好的適應(yīng)性。

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Research on strata behavior rule and support adaptability in extra short and isolated caving mining face with light supports

Yang Donghui1,2,Li Yongming1,Kang Quanyu2,Zhai Xinxian3
(1．School of Coal Engineering,Shanxi Datong University,Datong,Shanxi 037003,China; 2.Faculty of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 3．School of Electrical Engineering and Automation,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454003,China; 4．School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454003,China)

Based on the mining conditions of No．15141 extra short and isolated caving mining face with light supports in medium-hard and thinner-thick seam in Hongling Coal Mine of Xinlong Mining Group,the working resistances of light hydraulic caving supports were continuously recorded by using circular pressure self-recording instrument,the cyclic change rule of supporting resistance and pressure distribution characteristics along the dip direction of working face were analyzed．

medium-hard and thick coal seam,isolated working face,top-coal caving face, light hydraulic support,strata behavior rule,support adaptability

TD355

A

楊東輝(1986－),男,河南商水人,碩士研究生,主要從事采礦理論與技術(shù)的教學(xué)和研究。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

山西大同大學(xué)科學(xué)研究項(xiàng)目(2013Q6)

楊東輝,李永明,康全玉等.超短孤島輕放面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架適應(yīng)性研究[J].中國煤炭,2017,43(1): 55－59. Yang Donghui,Li Yongming,Kang Quanyu,et.al.Research on strata behavior rule and support adaptability in extra short and isolated caving mining face with light supports[J].China Coal,2017,43(1):55－59.