特厚煤層綜采面礦壓規(guī)律及實測分析

郝貴林

（晉能控股煤業(yè)集團北辛窯煤業(yè)有限公司 山西 忻州 036700）

1 引言

我國煤炭資源豐富，分布范圍也較廣，并且為國民經(jīng)濟中最重要的化石能源。在煤炭的分類中，通常將煤層厚度大于8 m 的煤層定義為特厚煤層，采用分層開采或放頂煤開采的方法[1]。由于分層開采的采出率較低，存在布置頂?shù)拙W(wǎng)等繁雜的工序，且開拓的各類巷道較多，生產(chǎn)系統(tǒng)較為冗雜[2-3]。相比之下，放頂煤開采則可一次性采出更厚的煤層，回采巷道的掘進量也小，工作面的回采率較高，因此我國特厚煤層主要采用放頂煤的開采方法[4]。然而，由于放頂煤開采時采高較高，頂?shù)装逅艿牟蓜佑绊戄^為劇烈，液壓支架安全閥時常開啟，礦壓規(guī)律也相應(yīng)地變得更加復(fù)雜。所以，研究特厚煤層綜放開采時的頂板來壓步距與礦壓規(guī)律對于工作面的安全生產(chǎn)和正?；夭删哂袠O重要的意義[5]。本文以北辛窯煤礦8405 工作面為依托，借助理論分析計算了直接頂和老頂?shù)膩韷翰骄?。并對開采期間液壓支架的工作阻力示數(shù)進行了實時監(jiān)測，通過液壓支架的受力變化過程進一步驗證并分析了頂板的初次來壓和周期來壓步距，同時采用液壓支架的初撐力、循環(huán)末阻力對特厚煤層的礦壓規(guī)律進行了探討。以期為綜放開采礦壓規(guī)律的研究提供一定的指導(dǎo)，為實現(xiàn)煤炭的高產(chǎn)高效奠定基礎(chǔ)。

2 礦井概況

北辛窯煤礦位于山西忻州寧武縣,交通運輸較為便利，鐵路和公路均與礦區(qū)毗鄰。井田面積約為12.57 km2，可采煤層累積儲量約為2 300 萬t。目前主要開采2#煤層，煤層厚度為5.78 m～11.24 m，平均煤厚為9.26 m，煤層為近水平煤層，傾角為2.5°～8°，煤層節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。現(xiàn)開采的8405工作面走向和傾向長度分別為1 650 m、180 m，傾角為2.9°～4.8°。工作面的綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 工作面綜合柱狀圖

3 頂板來壓步距分析

開采時，直接頂和老頂?shù)某醮蝸韷翰骄啵?/p>

式中：lc是直接頂?shù)某醮蝸韷翰骄?，m；lc是直接頂?shù)暮穸龋琺；σ1是瑝斑巖的抗拉強度，MPa；q是支架所承受直接頂?shù)暮奢d，kN。lj是老頂?shù)某醮蝸韷翰骄啵琺；h2是老頂?shù)暮穸?，m；σ2是粗粒砂巖的抗拉強度，MPa；q是支架所承受老頂?shù)妮d荷，kN。

在北辛窯煤礦，頂板巖石的抗拉強度為2.65 MPa，頂板巖石的容重為2.5×103 kg/m3，代入式（1）可計算求得直接頂?shù)膩韷翰骄酁?2.1 m。粗粒砂巖的抗拉強度為2.7 MPa，粗粒砂巖的容重為2.5×103kg/m3，代入式（2）可計算求得老頂?shù)膩韷翰骄酁?7.8 m。

而直接頂和老頂?shù)闹芷趤韷翰骄嗫刹捎靡韵鹿接嬎悖?/p>

因此，通過計算可得lz=9.0 m，lzj=19.5 m。

由北辛窯煤礦已開采完畢的8103 工作面液壓支架的示數(shù)統(tǒng)計及頂板來壓的規(guī)律進行分析發(fā)現(xiàn)，沿著煤層走向長度方向，直接頂不斷冒落，基本頂?shù)闹芷趤韷狠^為顯著。因此，根據(jù)上述有關(guān)直接頂和老頂來壓步距的計算結(jié)果，可以推測：8405 工作面直接頂和老頂初次來壓步距為22.1 m 和47.8 m，周期來壓步距分別為9 m和19.5 m。

4 礦壓顯現(xiàn)分析

北辛窯礦8405 工作面采用綜合放頂煤的開采方法，工作面長度為180 m，液壓支架中心距為1.75 m，共布置103架液壓支架。其中在工作面兩端頭分別布置5 架支掩式過渡支架，型號為ZFG15000/33/50；在中部布置93 架支掩式液壓支架，型號為ZF13000/33/50。同時在液壓支架的立柱上放置立柱的壓力測量設(shè)備，實時觀測液壓支架在煤層開采中的受力情況。開采時，按照滾筒采煤機的割煤方向?qū)σ簤褐Ъ苓M行編號，對工作面液壓支架的運行姿態(tài)和示數(shù)進行實時監(jiān)測。為了使數(shù)據(jù)具有代表性且易處理，現(xiàn)從2 號支架開始每隔10架設(shè)置為液壓支架工作阻力監(jiān)測點，即在支架編號為2、12、22、32、42、52、62、72、82、92、102 設(shè)置監(jiān)測點，共計11個。利用不同位置的液壓支架示數(shù)對開采區(qū)域的礦山壓力變化規(guī)律進行分析。

4.1 老頂來壓分析

煤層頂板周期來壓通常采用液壓支架循環(huán)末阻力的平均值和均方差的累加值來表示。由已有的老頂來壓理論可得，老頂周期來壓公式為：

式中：py是老頂來壓期間支架的壓力值；pz是液壓支架循環(huán)末阻力的平均值；σz是液壓支架循環(huán)末阻力的均方差。

液壓支架監(jiān)測裝置自動實時收集了所有周期的循環(huán)末阻力數(shù)值，現(xiàn)選取最近三個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行研究，對工作面推進度從20 m 到295 m 的階段進行分析。選取開采期間液壓支架在循環(huán)推進時的末阻力變化情況，下面以52#支架為例繪制支架末阻力與推進度之間的關(guān)系圖，如圖2所示。

圖2 52#支架的循環(huán)末阻力變化情況

由圖2 及支架循環(huán)末阻力的統(tǒng)計結(jié)果可以看出：開采時初次來壓的步距范圍大約是46.5 m到50.3 m之間，平均為48.4 m。在此期間，監(jiān)測點各液壓支架的循環(huán)末阻力為9 031.4 kN，是此批液壓支架設(shè)計工作阻力的75.26%。隨著開采的進行，老頂出現(xiàn)了21次周期來壓，其步距在18.2 m 左右，范圍大約是12.6 m 至23.7 m，浮動較為明顯。在以上來壓監(jiān)測期間，老頂?shù)膭虞d系數(shù)變化范圍從1.15到3.24，均值為1.68。

4.2 液壓支架受力分析

根據(jù)監(jiān)測得到的液壓支架行走時受力的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計在工作面推進過程中支架的初撐力及循環(huán)末阻力，剔除由于設(shè)備損壞和不穩(wěn)定而造成監(jiān)測數(shù)據(jù)較少的22#、72#、82#支架監(jiān)測數(shù)據(jù)，其余支架的數(shù)據(jù)統(tǒng)計如下表。

通過表1 的監(jiān)測值可以看出：液壓支架的初撐力在3 168 kN～3 517 kN，為額定初撐力的40.02%～44.42%；初撐力的平均值為3 351 kN，相當于是額定值的42.33%，屬于較小的數(shù)值。液壓支架的循環(huán)末阻力在6 198 kN～6 648 kN，為額定值的51.65%～55.13%；平均值為6 454 kN，相當于是額定值的53.79%，說明有較大的富余量。而液壓支架的最大循環(huán)末阻力卻在11 068 kN～11 544 kN，占到了額定初撐力的90%以上，甚至達到了96.2%。體現(xiàn)了開采時液壓支架的示數(shù)雖小，然而出現(xiàn)來壓時，液壓支架受力急劇增加，也恰好與上節(jié)來壓時較大的動載系數(shù)相吻合。

表1 液壓支架初撐力和循環(huán)末阻力監(jiān)測值

4.3 支架示數(shù)的頻率分布

通過統(tǒng)計開采期間各個液壓支架的示數(shù)，現(xiàn)在以1 500 kN 為分度值進行示數(shù)的區(qū)間統(tǒng)計，最終折合成百分占比如表2所示。

表2 液壓支架工作阻力的百分占比

同樣，下面以52#支架為例繪制支架工作阻力占比的頻率分布圖，如圖3所示。

圖3 52#液壓支架工作阻力頻率分布圖

由表2和圖3可以看出：工作面液壓支架的工作阻力示數(shù)為正態(tài)形分布，且處于較低工作阻力的次數(shù)和時間較多。工作阻力主要集中在3 000 kN～9 000 kN，處于大于9 000 kN的工作阻力分布頻率較低。

5 結(jié)論

當特厚煤層采用綜采放頂煤的開采方法時，煤層頂板覆巖的運移規(guī)律較為復(fù)雜，工作面礦壓顯現(xiàn)較為明顯。本文通過理論計算得到了北辛窯煤礦8405 工作面老頂?shù)某醮蝸韷杭爸芷趤韷翰骄喾謩e為47.8 m和19.5 m，通過對工作面液壓支架的工作阻力值進行了統(tǒng)計分析，得到了工作面的來壓步距、支架初撐力和循環(huán)末阻力的分布情況、工作阻力集中的范圍，其中初次來壓及周期來壓步距分別為48.4 m和18.2 m。由于理論計算存在對現(xiàn)場實際開采情況的適當簡化，且實際頂板是非均質(zhì)性巖體，導(dǎo)致理論計算結(jié)果與現(xiàn)場工程實測存在較小的偏差，但理論計算結(jié)果仍可用于指導(dǎo)實際生產(chǎn)。