坚硬顶板大采高综采面支架合理工作阻力研究.pdf

第 33 卷第 1 期 2013 年 01 月 西安科技大学学报 JOURNAL OF XI’ AN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol． 33No. 1 Jan. 2013 文章编号 1672 －9315 2013 01 －0023 －05 坚硬顶板大采高综采面支架合理工作阻力研究 * 刘锦荣1 ， 袁 永2 1． 大同煤矿集团有限责任公司， 山西 大同 037003; 2． 中国矿业大学 矿业工程学院 深部煤炭资源开采教育部重点实验室， 江苏 徐州 221116 摘要 基于同煤集团晋华宫矿 8210 工作面条件， 采用理论分析与现场实测相结合的方法， 对坚 硬顶板大采高综采面支架工作阻力确定方法进行了深入研究， 结果表明 坚硬顶板大采高综采面 顶板易形成 “坚硬 － 坚硬型” 双岩梁结构， 支架合理工作阻力应能同时满足对下位岩梁的“限定变 形” 和上位岩梁的 “给定变形” 的控制要求， 由此计算 8210 工作面强制放顶前后支架工作阻力分 别为 18 000， 11 000 kN， 确定 ZZ13000/28/60 型支架为工作面支架， 实现了坚硬顶板厚煤层的安 全高效开采。 关键词 坚硬顶板; 大采高综采; 支架工作阻力; 强制放顶 中图分类号 TD 355文献标志码A 0引言 大采高综采是近年来发展起来的厚煤层开采新工艺， 实践表明， 大采高综采煤炭采出率可比综放开 采提高 10 ～15， 是一种有推广前景的高采出率开采技术， 已成为 7． 0 m 以下厚煤层高效开采的发展 方向 ［1 ］。但由于大采高综采工作面采高大、 矿压显现剧烈， 采场煤壁片帮、 冒顶、 压架、 倒架等事故发生率 高， 已成为制约大采高综采技术推广应用的瓶颈［2 ］， 上述问题在坚硬顶板条件下更为突出。支架的科学 选型是解决上述问题关键， 其中支架工作阻力的合理确定是支架科学选型的基础［3 －4 ］。 支架工作阻力的确定方法主要有 载荷估算法、 实测统计法及理论分析法等 ［5 ］， 目前， 大采高综采支 架工作阻力的确定主要基于上覆岩层破断为单岩梁结构， 如弓培林 ［6 －7 ］采用载荷估算法计算大采高综采 采场支架工作阻力， 宋选民 ［8 ］通过实测统计与理论分析相结合的方法确定沙曲矿大采高综采支架的合理 工作阻力， 李龙清 ［9 ］采用物理模拟和 FLAC3D数值模拟相结合的方法确定羊场湾煤矿 6． 2 m 采高条件下的 支架工作阻力， W． Lawrence［10 ］通过数值模拟和经验类比法进行工作面支护设计， 伍永平［11 ］采用物理模拟 与理论计算相结合的方法来确定坚硬顶板条件下的大采高综采支架工作阻力， 宋德军 ［12 ］通过理论计算与 类比法确定坚硬顶板条件下的大采高综采支架的工作阻力。而大采高综采覆岩易形成多岩梁结构， 这是 大采高综采覆岩运动的新特点［13 －14 ］， 文中基于多岩梁结构确定了坚硬顶板条件下的大采高综采支架工 作阻力， 对类似条件下的支架选型具有借鉴意义。 1工程概况 晋华宫矿402 盘区8210 工作面， 开采12煤层， 煤厚5． 3 ～6． 5 m， 平均5． 6 m， 煤层倾角为1 ～10， 平 均为6， 煤质较硬， 硬度系数为 3 ～4， 工作面伪顶为厚 0． 9 m 的砂质页岩， 直接顶为厚 2． 3 m 的细砂岩， 基 本顶为厚 18． 2 m 的中粗砂岩， 硬度系数为 11． 采用大采高综采工艺开采， 采高 5． 5 m， 工作面长 163． 7 m． 8210 工作面是同煤集团首个采高超过 5 m 的大采高工作面。 *收稿日期 2012 －09 －15 通讯作者 刘锦荣 1971 － ， 男， 山西大同人， 硕士， 高级工程师， 主要从事生产技术研发及管理工作． 2大采高综采支架工作阻力确定 2． 1大采高综采覆岩结构分析 综采工作面采高增大， 上覆岩层破坏范围增大， 在普通综采或综放开采条件下界定的基本顶岩层也 转化为直接顶， 垮落到采空区内， 这是大采高综采覆岩破坏的新特征， 根据采场“基本顶” 范围内岩层距支 架高度、 岩性及厚度不同， 上覆岩层结构可能出现“坚硬 － 坚硬型 ” 、 “软弱 － 坚硬型” 、 “坚硬 － 软弱型” 、 “软弱 － 软弱型” 4 种 ［13 ］， 根据 8210 工作面条件分析， 该工作面覆岩结构为“坚硬 － 坚硬型” 的 “双岩梁结 构” ， 结构模型如图 1 所示。 图 1 8210 工作面覆岩结构特征 Fig． 1Structural characteristics of the overlying strata in the 8210 longwall face 图 2双岩梁结构支架工作阻力计算模型 Fig． 2Computational model of support working resistance of double hard rock beams structure 2． 2大采高综采支架控顶设计准则 基本顶来压时， 支架应能保证其对下位岩梁 “限定变形” 的基础上， 实现上位岩梁的“给定变形” 控制 要求， 如图 2 所示， 支架的控顶设计可按如下准则进行 2． 2． 1老顶初次来压时 支架的支护强度为 PT1 mzγz mE1CE1γE1 2lk ， 1 其中mz ， γ z为冒落岩层厚度和平均容重; mE1， CE1 ， γ E1分别为老顶下位岩梁厚度、 初次来压步距和岩梁容 重、 lk为支架最大控顶距。 支架工作阻力为 RT1 PT1Blk， 2 其中， B 为支架的宽度。 2． 2． 2老顶周期来压时 支架的支护强度为 PT2 mzγz mE1C01γE1 2lk ， 3 其中， C01为老顶下位岩梁周期来压步距。 支架工作阻力为 RT2 PT2Blk． 4 2． 38210 工作面支架合理工作阻力确定 2． 3． 1工作面支架工作阻力计算 根据 8210 工作面条件和相似模拟实验结果， 取 mz11． 2 m， γz γ E12． 5 tm －3， m E110． 2 m， CE1 64． 69 m， C0121 m， lk5． 889 m， B 1． 75 m， 将上述参数带入式 1～ 4 ， 可得工作面初次来压时 支 架支护强度 PT≥168 tm －2， 支架的工作阻力 R T≥18 000 kN; 工作面周期来压时 支架支护强度 PT≥ 118． 92 tm －2， 支架的工作阻力 R T≥13 000 kN． 42西 安科技大学学报2013 年 第 1 期刘锦荣等 坚硬顶板大采高综采面支架合理工作阻力研究 图 3 8210 工作面强制放顶炮孔布置平面图 Fig． 3Forced caving blast hole layout plan of the 8210 longwall face 根据以上计算结果， 工作面老顶初次来压时所 需支架的工作阻力高达 18 000 kN 以上， 为了使在 坚硬顶板条件下大采高开采技术上可行， 安全上可 靠， 经济上更合理， 工作面开采时需要对顶板进行 特殊处理。 2． 3． 2坚硬顶板的强制放顶 8210 工作面采用“深、 浅孔爆破” ， 使基本顶发 生损伤并产生裂隙， 减小老顶裂断步距。根据大同 矿区坚硬顶板强制放顶的经验， 确定 8210 面实施 初次放顶及步距放顶 步距放顶为超前预爆破 。 初次放顶在切眼及两顺槽巷进行， 步距放顶在两顺 槽巷进行。切眼的初次放顶孔布置 5 组， 两顺槽巷 内的初次放顶孔步距为 25 m， 步距放顶孔的步距 为 20 m， 放顶孔布置平面图如图 3 所示， 切眼内的 初次放顶孔为 A 孔 孔深25 m， 每组3 个孔 ， 两顺 槽巷内的初次放顶孔为 D， E 孔 孔深 40 m， 每组 2 个孔 ， 两顺槽巷内的步距放顶孔为 B 孔 孔深 40 m， 每组 2 个孔 。 2． 3． 3强制放顶后支架工作阻力计算 8210 工作面采取强制放顶措施后， 取 CE136 m， C0116 m， 其它参数同上， 可得工作面初次来压时 支架支护强度为 PT≥105． 94 tm －2， 支架的工作阻力为 R T≥11 000 kN; 工作面周期来压时， 支架支护强 度为 PT≥97． 28 tm －2， 支架的工作阻力为 R T≥10 000 kN． 根据上述参数， 选择 ZZ13000/28/60 型支架为 8210 工作面支架， 其主要技术参数见表 1． 表 1 ZZ13000/28/60 型支架主要技术参数 Tab． 1Main technical parameters of ZZ13000/28/60 support 架型支架高度/m初撑力/kN工作阻力/kN支护强度/MPa宽度/m ZZ13000/28/602．8 ～6． 010 12813 000≥1．2 ～1．281．67 ～1．84 3工程应用 8210 工作面开采期间， 实施了初次及步距人工强制放顶， 对工作面矿压进行了观测， 工作面初撑力、 工作阻力及时间加权平均阻力的统计见表 2， 图 4 所示。 表 2 8210 工作面支架阻力统计表 Tab． 2Support resistance of the 8210 longwall face 工作阻力 初撑力 P0/kN 比额定值/ 最大工作阻力 Pm/kN 比额定值/ 时间加权阻力 Pt/kN 比额定值/ 平均值9 21891．0112 15692．7411 05685．04 最大值10 500＞10012 50096．112 12593．27 由表 2， 图 4 分析可知 1 支架初撑力平均值 9 218 kN， 为额定值的 91． 01， 分布在 9 300 ～10 500 kN 之间的占 69． 9， 最 大值 10 500 kN; 工作面正常回采时循环初撑力分布直方图应呈正态分布， 初撑力满足了支架及时护顶需 要， 支架负荷饱满， 支架阻力得到了充分发挥; 2 从监测数据分析， 最大工作阻力平均值 12 156 kN， 为额定值的 92． 74， 分布在 9 300 ～10 800 之 间的占 70． 6， 分布在 12 000 kN 以上的仅占 0． 6， 支架工作阻力有富余， 说明现有支架选型合理。 52 图 4工作面支架工作阻力频率综合分布图 Fig． 4Working resistance frequency distribution for working face support 4结论 通过对坚硬顶板大采高综采面支架工作阻力的研究， 得到如下结论 1大采高综采面采高大、 覆岩破坏高度大， 顶板易形成双岩梁结构， 8210 工作面坚硬顶板条件下， 顶 板形成 “坚硬 － 坚硬型” 的 “双岩梁结构” ; 2建立了基于双岩梁结构的大采高综采支架工作阻力计算模型， 提出了支架控顶设计的原则与计算 公式; 38210 工作面通过采用 “深、 浅孔爆破” 的技术措施实施初次及步距强制放顶， 选择 ZZ13000/28/60 型支架， 实现了工作面的安全高效开采。 参考文献References ［ 1］ TU Shi- hao， YUAN Yong，YANG Zhen， et al． Research situation and prospect of fully mechanized mining technology in thick coal seams in China［ J］ ． Procedia Earth and Planetary Science， 2009 1 35 －40． ［ 2］ 袁永， 屠世浩， 王 瑛， 等． 大采高综采技术的关键问题与对策探讨［ J］ ． 煤炭科学技术， 2010， 38 1 4 －8． YUAN Yong， TU Shi- hao， WANG Ying，et al． Discussion on key problems and countermeasures of fully mechanized mining technology with high mining height［ J］ ． Coal Science and Technology， 2010， 38 1 4 －8． ［ 3］ 袁永． 大采高综采采场支架 － 围岩稳定控制机理研究［ D］ ． 徐州 中国矿业大学， 2011． YUAN Yong． Stability control mechanism of support- surrounding rocks at fully mechanized mining face with great cutting height［ D］ ． Xuzhou China University of Mining ＆ Technology， 2011． ［ 4］ 屠世浩， 袁永． 厚煤层大采高综采理论与实践［ M］ ． 徐州 中国矿业大学出版社， 2012． TU Shi- hao， YUAN Yong． Theory and practice of thick seam in fully- mechanized coal mining face of greater mining- height ［ M］ ． Xuzhou China University of Mining and Technology Press， 2012． ［ 5］ 钱鸣高， 石平五． 矿山压力与岩层控制［ M］ ． 徐州 中国矿业大学出版社， 2003． QIAN Ming- gao， SHI Ping- wu． Mining pressure and strata control［ M］ ． Xuzhou China University of Mining and Technology Press， 2003． ［ 6］ 弓培林， 靳钟铭． 大采高综采采场顶板控制力学模型研究［ J］ ． 岩石力学与工程学报， 2008， 27 1 193 －197． GONG Pei- lin， JIN Zhong- ming． Mechanical model study on roof control for fully- mechanized coalface with large mining height［ J］ ． Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2008， 27 1 193 －197． ［ 7］ 弓培林． 大采高采场围岩控制理论及应用研究［ D］ ． 太原 太原理工大学， 2006． GONG Pei- lin． Surrounding rock control theory and application study of the coal face with greater mining height［D］ ． Taiyuan Taiyuan University of Technology， 2006． ［ 8］ 江小军， 宋选民． 沙曲矿北翼大采高综采面的支架合理工作阻力确定［J］ ． 太原理工大学学报， 2005， 36 3 365 － 62西 安科技大学学报2013 年 第 1 期刘锦荣等 坚硬顶板大采高综采面支架合理工作阻力研究 367． JIANG Xiao- jun， SONG Xuan- min． Determination of the reasonable support resistance of the thick seam in the North- wing of Shaqu coal mine［ J］ ． Journal of Taiyuan University of Technology， 2005， 36 3 365 －367． ［ 9］ 李龙清， 荆宁川， 苏普正． 大采高综采支架工作阻力综合分析与确定［J］ ． 西安科技大学学报， 2008， 28 2 254 － 258． LI Long- qing，JING Ning- chuan，SU Pu- zheng，et al． Analysis ofhigh seam mining shield working resistance［ J］ ． Jounal of Xi’ an University of Science and Technology， 2008， 28 2 254 －258． ［ 10］ Lawrence W． A for the design of longwall gateroad roof support［ J］ ． International Journal of Rock Mechanics ＆ Min- ing Sciences， 2009， 46 789 －795． ［ 11］ 伍永平， 郭振兴， 马彩莲． 坚硬顶板大采高采场支架阻力的确定［ J］ ． 西安科技大学学报， 2010， 30 2 127 －131． WU Yong- ping，GUO Zhen- xing， MA Cai- lia． Study on supports’resistance of high mining height face based on simulation experimen［ J］ ． Jounal of Xi’ an University of Science and Technology， 2010， 30 2 127 －131． ［ 12］ 宋德军． “两硬” 条件大采高液压支架工作阻力计算［ J］ ． 太原理工大学学报， 2006， 37 5 568 －571． SONG De- jun． Calculations of high seam mining shield working resistance under “Hard Roof and Coal” condition［ J］ ． Journal of Taiyuan University of Technology， 2006， 37 5 568 －571． ［ 13］ 文志杰， 赵晓东， 尹立明， 等． 大采高顶板控制模型及支架合理承载研究［ J］ ． 采矿与安全工程学报， 2010， 27 2 255 －258． WEN Zhi- jie，ZHAO Xiao- dong，YIN Li- ming，et al． Study on mechanical model and reasonable working- condition parame- ters in mining stope with large mining heigh［ J］ ． Journal of Mining ＆ Safety Engineering， 2010， 27 2 255 －258． ［ 14］ 闫少宏， 尹希文， 许红杰， 等． 大采高综采顶板短悬臂梁 － 铰接岩梁结构与支架工作阻力的确定［J］ ． 煤炭学报， 2011， 36 11 1 816 －1 820． YAN Shao- hong， YIN Xi- wen， XU Hong- jie，et al． Roof structure of short cantilever- articulated rock beam and calculation of support resistance in full- mechanized face with large mining height［ J］ ． Jounal of China Coal Society， 2011， 36 11 1 816 － 1 820． Reasonable support working resistance for great mining height longwall face with hard roof LIU Jin- rong1， YUAN Yong2 1． Datong Coal Mine Group Corporation Ltd． ， Datong， 037003， China; 2． Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining with Ministry of Education of China，School of Mines， China University of Mining ＆ Technology，Xuzhou 221116， China AbstractAccording to the geological conditions at the 8210 longwall face in Jinhuagong Mine of Da- tong Coal Mine Group，the integrated research including theoretical analysis and field observa- tions were used to study the reasonable support working resistance for the great mining height longwall face with hard roof． The results indicated that the hard roof liable to a“Hard- Hard”type double rock beams structure，the support working resistance has to satisfy the requirement of both limited de- ation in the lower rock beam and given deation in the upper rock beam． As a result，the sup- port working resistances before and after roof caving compulsively，in the 8210 longwall face，were cal- culated to 18000kN and 11 000 kN，respectively，thus determined the longwall face support type to ZZ1300/28/60， these results enabled the thick seam with hard roof mining safely and efficiently． Key wordshard roof;great mining height;support working resistance;roof caving compulsively* 72 *Corresponding authorLIU Jin- rong， Senior Engineer， Datong 037003， P． R． China， Tel 0086 －13008048602， E- mail ljr7173 qq． com