特厚煤層綜放工作面礦壓規(guī)律研究

張 鵬

ZHANG Peng

1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院

2.山西錦興能源有限公司，肖家洼煤礦

特厚煤層綜放工作面礦壓規(guī)律研究

張 鵬

ZHANG Peng

1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院

2.山西錦興能源有限公司，肖家洼煤礦

0 引言

隨著科技不斷進(jìn)步，大采高綜采放頂煤等新型采煤工藝得到了廣泛的應(yīng)用與推廣[1-3]。大采高綜放開(kāi)采是結(jié)合大采高綜采與綜放開(kāi)采技術(shù)兩者優(yōu)勢(shì)而提出的一種針對(duì)特厚煤層開(kāi)采的新型采煤工藝。與綜放開(kāi)采技術(shù)相比，大采高綜采放頂煤具有更高效率、更高產(chǎn)能的優(yōu)點(diǎn)。

但是大采高綜放與普通綜放相比，在具備高產(chǎn)能的同時(shí)也具有不同的礦山壓力顯現(xiàn)特征[4-6]。掌握大采高綜放工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律[7-9]，對(duì)指導(dǎo)大采高綜放工作面安全高效生產(chǎn)具有重要作用。同時(shí)，工作面液壓支架工作阻力變化情況反映了工作面頂板來(lái)壓情況，是考察支架選型合理性的重要依據(jù)[10-12]。此外，通過(guò)掌握工作面初次來(lái)壓步距、周期來(lái)壓步距、來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度等來(lái)壓特征可以預(yù)測(cè)工作面壓力顯現(xiàn)情況，對(duì)指導(dǎo)工作面安全生產(chǎn)具有積極影響[13-15]。

因此，本文以肖家洼煤礦首采工作面為例進(jìn)一步研究深部特厚煤層綜放工作面礦壓規(guī)律，并核算工作面液壓支架選型的合理性。

1 工程概況

肖家洼煤礦211301工作面位于礦井 21 采區(qū)，工作面區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單，屬于單一煤層。埋深155.6m～232.3m。開(kāi)采煤層為太原組13號(hào)煤。13號(hào)煤層為層位穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層，煤厚9.64～13.95m，平均11.57m，傾角在 6～12°之間。煤層頂板由泥巖、砂質(zhì)泥巖、薄煤線(xiàn)組合而成，直接底為砂質(zhì)泥巖，部分區(qū)域?yàn)榉凵皫r或泥灰?guī)r，普遍存在著炭質(zhì)泥巖偽底。工作面內(nèi)水文地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單，局部地段有淋水現(xiàn)象，主要為頂板砂巖層裂隙水，未發(fā)現(xiàn)斷層構(gòu)造。工作面采用大采高綜放采煤工藝，平均采高3.5m ，采放比1:1.76～2.93，沿底板推進(jìn)。工作面走向長(zhǎng)度為1100m，傾向長(zhǎng)度為250m，采用全部垮落法管理頂板。工作面使用ZF15000/23/38 支架進(jìn)行支護(hù)，端頭采用 ZFP15000/23/38 支架支護(hù)。采用 JOY7LS5B 采煤機(jī)落煤，循環(huán)進(jìn)尺 0.8m，最大、最小控頂距分別為 6.13m、5.33m。

2 液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè)站的布置

為了掌握211301工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，在工作面布置液壓支架測(cè)站對(duì)綜放工作面工作阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)儀器采用 YHY60(B) 壓力計(jì)，測(cè)站分布情況如圖1所示。

沿工作面傾斜方向布置上、中、下三個(gè)測(cè)站。上部測(cè)站安排三條測(cè)線(xiàn)，分別布置于122#、130#和138#架。中部測(cè)站位于工作面中部，安排四條測(cè)線(xiàn)，分別布置于 60#、68#、76#和84#架。下部測(cè)站安排三條測(cè)線(xiàn)，分別布置于 7#、15#和 23#架。工作面液壓支架測(cè)站為長(zhǎng)期測(cè)站，用來(lái)監(jiān)測(cè)工作面液壓支架工作阻力情況，并預(yù)報(bào)工作面來(lái)壓。儀器安設(shè)后，每天觀測(cè)三次(每班觀測(cè)一次)，并采用采集器采集數(shù)據(jù)。

圖1 工作面液壓支架測(cè)站布置圖

3 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

工作面液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè)于2月18日開(kāi)始，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)至8月18日。此時(shí)工作面機(jī)頭機(jī)頭、機(jī)尾各推進(jìn)161.8m、175.8m，平均進(jìn)尺168.8m，根據(jù)需要統(tǒng)計(jì)各支架初次來(lái)壓 1 次、周期來(lái)壓6～12次。

3.1 來(lái)壓步距及動(dòng)載系數(shù)分析

以觀測(cè)時(shí)間或工作面推進(jìn)距離為橫坐標(biāo)，液壓支架工作阻力為縱坐標(biāo)，可繪制“推進(jìn)距離-工作阻力”關(guān)系曲線(xiàn)。通過(guò)分析工作阻力的變化規(guī)律，并比較支架工作阻力與來(lái)壓判據(jù)的大小，可確定工作面的來(lái)壓步距。一般以液壓支架工作阻力時(shí)間加權(quán)平均值與工作阻力均方差之和為來(lái)壓判據(jù)，具體公式如式(1)所示。

式中：

pt'—支架加權(quán)阻力判據(jù)；

pt—觀測(cè)期間全部支架支護(hù)阻力時(shí)間加權(quán)平均值；

δs—支護(hù)阻力均方差。

動(dòng)載系數(shù)是指歷次來(lái)壓時(shí)與來(lái)壓前支架工作阻力平均值的比值，可用來(lái)衡量基本頂?shù)膩?lái)壓強(qiáng)度。動(dòng)載系數(shù)的計(jì)算公式如式(2)所示。

式中：

k —?jiǎng)虞d系數(shù)；

pc—頂板來(lái)壓時(shí)支架工作阻力平均值；

pn—頂板非來(lái)壓時(shí)支架工作阻力平均值。

根據(jù)工作面監(jiān)測(cè)站獲得的支架工作阻力數(shù)據(jù)，可繪制出各監(jiān)測(cè)支架的“推進(jìn)距離-工作阻力”關(guān)系曲線(xiàn)。以138#支架為例，如圖2所示。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算各監(jiān)測(cè)支架的來(lái)壓判據(jù)，并以此為基礎(chǔ)，分析得出各支架處的初次來(lái)壓步距及周期來(lái)壓步距。通過(guò)計(jì)算各支架來(lái)壓時(shí)平均工作阻力與非來(lái)壓時(shí)平均工作阻力的比值，可獲得各監(jiān)測(cè)支架的動(dòng)載系數(shù)。

工作面上部測(cè)站共布置了3個(gè)測(cè)點(diǎn)，其初次來(lái)壓步距為8.6～9.4m，平均初次來(lái)壓步距為9m；初次來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為1.23～1.5，平均初次來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為1.36；初次來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度為0.8～2.2m，初次來(lái)壓平均持續(xù)長(zhǎng)度為1.33m。周期來(lái)壓步距為10.9～13.7m，平均周期來(lái)壓步距為11.85m；周期來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為1.55～2.24，平均周期來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為1.8；周期來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度為1.85～2.80m，平均周期來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度為2.3m。上部測(cè)站初次來(lái)壓步距、動(dòng)載系數(shù)及來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度基本穩(wěn)定，而周期來(lái)壓步距、動(dòng)載系數(shù)及來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度在122#支架處波動(dòng)較為明顯，數(shù)值較大，與工作面兩端端頭支架處不放煤有關(guān)，容易造成上部局部壓力增大。

工作面中部測(cè)站共布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，其初次來(lái)壓步距為9～10.8m，平均初次來(lái)壓步距為9.55m；初次來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為1.06～2.35，平均初次來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為1.5；初次來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度為0.4～0.8m，初次來(lái)壓平均持續(xù)長(zhǎng)度為0.53m。周期來(lái)壓步距為12.5～15.73m，平均周期來(lái)壓步距為14.11m；周期來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為1.12～1.85，平均周期來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為1.43；周期來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度為1.78～5.57m，平均周期來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度為3.29m。中部來(lái)壓步距、動(dòng)載系數(shù)及來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度基本穩(wěn)定，僅76#支架處初次來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)與周期來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)較大，受局部頂板突然跨落沖擊影響。

工作面下部測(cè)站共布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，其初次來(lái)壓步距為10.5～12.8m，平均初次來(lái)壓步距為11.4m；初次來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為1.39～1.79，平均初次來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為1.58；初次來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度為0.4～4.1m，初次來(lái)壓平均持續(xù)長(zhǎng)度為1.77m。周期來(lái)壓步距為11.75～16.34m，平均周期來(lái)壓步距為13.51m；周期來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為1.38～2.47，平均周期來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為1.91；周期來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度為1.76～4.8m，平均周期來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度為2.85m。下部初次來(lái)壓步距、周期來(lái)壓步距、來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度在23#支架處較大，與其頂板巖性結(jié)構(gòu)有關(guān)，應(yīng)力向15#支架處轉(zhuǎn)移，同時(shí)受工作面兩端端頭支架處不放煤影響，15#支架處動(dòng)載系數(shù)較大。

綜上所述，綜放工作面初次來(lái)壓步距為8.6～12.8m，平均為9.98m；初次來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為1.06～2.35，平均為1.48；初次來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度為0.4～4.1m，平均為1.21。周期來(lái)壓步距為10.9～16.34m，平均為13.16m；周期來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為1.12～2.47，平均值為1.71；周期來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度為1.76～5.57m，平均為2.81。工作面初次來(lái)壓步距、動(dòng)載系數(shù)由上而下依次增大，初次來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度中部較小，上部與下部較大；周期來(lái)壓步距及來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度中部較大，上部與下部較小，而動(dòng)載系數(shù)中部較小，上部與下部較大。(見(jiàn)圖2)

3.2 支架工作阻力及其適應(yīng)性分析

支架工作阻力不僅可以反映工作面頂板壓力大小、而且可以反映支架的適應(yīng)性以及支護(hù)效能的發(fā)揮程度。工作面采用ZF15000/23/38型液壓支架，額定工作阻力3750kN(P=36.86Mpa)，設(shè)計(jì)初撐力2442kN(24.00MPa)。

圖2 138#液壓支架推進(jìn)距離-工作阻力關(guān)系曲線(xiàn)

工作面上部測(cè)站3條測(cè)線(xiàn)(138#、130#、122#)的平均實(shí)測(cè)初撐力分別為1799.5kN，1798.8kN，1911.8kN。分別為額定初撐力的73.69%，73.66%，78.29%。平均實(shí)測(cè)末阻力為2094.03kN，2198.53kN， 2336.38kN。分別為額定工作阻力的55.84%，58.63%，62.3%?？傮w上，工作面上部各監(jiān)測(cè)支架初撐力及工作阻力偏小，額定工作阻力未得到充分利用。122#支架處有超出額定工作阻力現(xiàn)象，約占統(tǒng)計(jì)數(shù)的0.16%。這主要是由于上覆巖層突然垮落沖擊液壓支架，而安全閥未及時(shí)開(kāi)啟造成。

工作面中部測(cè)站4條測(cè)線(xiàn)(84#、76#、68#、60#)的平均實(shí)測(cè)初撐力分別為2106.6kN，1963.5kN，2085.2kN，2219.4kN。分別為額定初撐力的86.3%，80.41%，85.39%，90.88%。平均實(shí)測(cè)末阻力為2748.22kN，2562.62kN，2784.78kN，2805.56kN。分別為額定工作阻力的74.82%，74.26%，67.38%，73.29%。4條測(cè)線(xiàn)均有超出額定工作阻力的現(xiàn)象，其占統(tǒng)計(jì)數(shù)的比例分別為11.57%，1.19%，0.02%，0.22%?？傮w上，工作面中部各監(jiān)測(cè)支架初撐力合理，除76#支架外支架額定工作阻力與支架實(shí)際受力狀況匹配良好。個(gè)別實(shí)測(cè)工作阻力超出額定工作阻力主要是由于上覆巖層突然垮落沖擊液壓支架造成。76#初撐力相對(duì)合理，但額定工作阻力沒(méi)有得到充分的發(fā)揮，這與該區(qū)域來(lái)壓較弱、頂板特征有關(guān)。

工作面下部測(cè)站3條測(cè)線(xiàn)(23#、15#、7#)的平均實(shí)測(cè)初撐力分別為2152.16kN，2013.4kN，1603.15kN。分別為額定初撐力的88.13%，82.45%，65.7%。平均實(shí)測(cè)末阻力為2874.29kN，2757.11kN，1808.38kN。分別為額定工作阻力的76.65%，73.5%，48.22%。總體上，工作面下部各監(jiān)測(cè)支架初撐力與工作阻力較為合理，支架額定工作阻力有較大富裕。其中7#支架實(shí)測(cè)工作阻力及初撐力較小，23#支架工作阻力有超出額定工作阻力的現(xiàn)象，占統(tǒng)計(jì)數(shù)的0.01%。

綜上所述，工作面上部初撐力及工作阻力偏小，額定工作阻力未得到充分利用；中部及下部各監(jiān)測(cè)支架初撐力與工作阻力較為合理。中部監(jiān)測(cè)支架及靠近中部測(cè)站的上、下部測(cè)線(xiàn)有超出額定工作阻力現(xiàn)象，其主要是由于上覆巖層突然垮落沖擊液壓支架造成的。

4 結(jié)論

為了掌握肖家洼煤礦深部特厚煤層綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，在工作面布置了3個(gè)液壓支架測(cè)站對(duì)綜放工作面支架阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)三個(gè)測(cè)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1)肖家洼煤礦綜放工作面的初次來(lái)壓步距為8.6～12.8m，平均為9.98m；初次來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為1.06～2.35，平均為1.48；初次來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度為0.4～4.1m，平均為1.21。周期來(lái)壓步距為10.9～16.34m，平均為13.16m；周期來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為1.12～2.47，平均值為1.71；周期來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度為1.76～5.57m，平均為2.81。

(2)肖家洼煤礦綜放工作面初次來(lái)壓步距、動(dòng)載系數(shù)由上而下依次增大，初次來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度中部較小，上部與下部較大；周期來(lái)壓步距及來(lái)壓持續(xù)長(zhǎng)度中部較大，上部與下部較小，而動(dòng)載系數(shù)中部較小，上部與下部較大。

(3)肖家洼煤礦綜放工作面上部初撐力及工作阻力偏小，額定工作阻力未得到充分利用；中部及下部各監(jiān)測(cè)支架初撐力與工作阻力較為合理。中部監(jiān)測(cè)支架及靠近中部測(cè)站的上、下部測(cè)線(xiàn)有超出額定工作阻力現(xiàn)象，其主要是由于上覆巖層突然垮落沖擊液壓支架造成的。

[1] 王金華. 特厚煤層大采高綜放開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2013，38(12)：2089-2097.

[2] 陳云凡. 綜采放頂煤開(kāi)采工藝與安全技術(shù)研究[J]. 能源與節(jié)能，2016，(3)：168-169.

[3] 王濤. 淺談煤礦綜采放頂煤開(kāi)采工藝[J]. 能源與節(jié)能，2016，(4)：136-139.

Study on strata behavior regularity of fully mechanized caving face in extremely thick coal seam

1.College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology
2.Xiao jiawa Coal Mine, Shanxi Jinxing Eneryg Company Limited

為了掌握肖家洼煤礦深部特厚煤層綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，在工作面布置了3個(gè)液壓支架測(cè)站對(duì)綜放工作面支架阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)綜放工作面礦壓規(guī)律及液壓支架適應(yīng)性進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明：肖家洼煤礦綜放工作面的初次來(lái)壓步距為8.6～12.8 m，平均為9.98m，初次來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為1.06～2.35，平均為1.48，周期來(lái)壓步距為10.9～16.34 m，平均為13.16m，周期來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為1.12～2.47，平均值為1.71；綜放工作面初次來(lái)壓步距、動(dòng)載系數(shù)由上而下依次增大，周期來(lái)壓步距中部較大，上部與下部較小，而動(dòng)載系數(shù)中部較小，上部與下部較大；綜放工作面上部初撐力及工作阻力偏小，額定工作阻力未得到充分利用，中部及下部各監(jiān)測(cè)支架初撐力與工作阻力較為合理。

特厚煤層；綜放工作面；礦壓規(guī)律

In order to master the strata behavior regularity of extremely thick coal seam fully mechanized caving face in Xiao Jiawa mine, three hydraulic support stations are set up in working face to monitor support resistance of the face, and the strata behavior regularity of the face and adaptability of the hydraulic support are analyzed according to the monitoring data. The results show that first weighting interval is 8.6～12.8 m with a mean of 9.98m, first weighting dynamic load coefficient is 1.06～2.35 with a mean of 1.48, periodic weighting length is 10.9～16.34 m with a mean of 13.16m, and periodic weighting dynamic load coefficient is 1.12～2.47 with a mean of 1.71. The first weighting interval and dynamic load coefficient of the face increase in turn from top to down. The periodic weighting length of the central face is bigger, while the upper and lower are smaller. The dynamic load coefficient of the central face is smaller, while the upper and lower are bigger. The upper setting load and the working resistance of the face are relatively small. The rated working resistance is not fully utilized, and the support setting load and working resistance monitored of the central and lower are comparatively rational.

deep; extremely thick coal seam; fully mechanized caving face; strata behavior regularity

張鵬(1987-)，男，吉林長(zhǎng)春人，漢族，研究員，博士生導(dǎo)師，博士。