薄基岩浅埋深大采高工作面矿压规律及支架适应性分析.pdf

2 0 1 3年第 2期 煤炭工程 薄基岩浅埋深大采高工作面矿压规律及 支架适应性分析 刘 江 内蒙古伊泰集团公司 生产事业部，内蒙古 鄂尔多斯0 1 7 0 0 0 摘要 纳一矿 3 2 6 0 1大采 高综采工作 面为典型的浅埋深长壁大采 高综采工作面，通过对 该工作面液压支架阻力的现场观测研究，掌握了浅埋深大采高综采工作面矿压显现规律，分析了 大采高综采液压支架适应性，揭示 了浅埋深长壁工作面的顶板来压特征 ，研究结果可为类似条件 大采高综采工作面安全高效回采提供参考。 关键词浅埋深工作 面；大采 高综采；来压特征 ； 初撑 力 中图分类号 T D 3 2 6 ；T D 3 5 5 文献标识码A文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 3 0 2 - 0 0 4 3 - 0 4 An a l y s i s o n M i n e S t r a t a P r e s s u r e La w o f Hi g h Cu t t i n g Co a l M i mi ng Fa c e i n S ha l l o w De pt h S e a m Un de r Thi n Ba s e Ro c k a n d S u i tab i l i t y o f Po we r e d S u p p o r t L I U J i a n g P r o d u c t i o n D e p a r t m e n t ，I n n e r Mo n g o l i a Yit a i G r o u p C o m p a n y L t d ． ，O r d o s 0 1 7 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t N o ． 3 2 6一O 1 h i g h c u t t i n g f u l l y me c h a n i z e d c o a l mi n i n g f a c e i n Na y i Mi n e w a s a t y p i c a l h i g h c u t t i n g f u l l y me c h a n i z e d l o n g wa l l c o a l mi n i n g f a c e i n a s h a l l o w d e p t h s e a m． Wi t h a s i t e o b s e r v a t i o n s t u d y o n t h e s u p p o r t r e s i s t a n c e s o f t h e h y d r a u l i c p o w e r e d s u p p o r t a p p l i e d i n t h e c o a l mi mi n g f a c e ，t h e p a p e r ma s t e r e d the mi n e s t r a t a p r e s s u r e l a w o f t h e h i g h c u t t i n g f u l l y me c h a n i z e d c o al mi mi n g f a c e i n s h a l l o w d e p t h s e a m ， a n a l y z e d t h e s u i t a b i l i t y o f t h e p o w e r e d s u p p o rt a p p l i e d i n t h e h i s h c u t t i n g f u l l y m e c h a n i z e d c o al m i n i n g f a c e a n d r e v e a l e d t h e r o o f w e i g h t i n g f e a t u r e s o f t h e f u l l y me c h a n i z e d l o n g w a l l mi n i n g f a c e i n a s h all o w d e p t h s e a m． T h e s t u d y r e s u l t s c o u l d p r o v i d e t h e r e f e r e n c e s t o t h e s a f e t y a n d h i g h e ffic i e n t mi n i n g o f t h e h i g h c u t t i n g f u l l y me c h a n i z e d c o a l mi n i n g f a c e u n d e r t h e s i mi l a r c o n d i t i o n s ． Ke y wo r d s c o al mi n i n g f a c e i n s h all o w d e p t h s e a m； h i g h c u t t i n g f u l l y me c h a n i z e d c o a l mi n i n g f a c e；r o o f w e i g h t i n g f e a t ur e s；i n i t i a l s u pp o r t f o r c e 浅埋深煤层大多分布于我 国西部地区，其典型赋存特 点是埋藏浅、基岩薄、覆盖松散层厚。我国西部浅埋深煤 层近些年 的开 采实 践表 明 ，浅埋深 煤层 在开采 过程 中 ，工 作面矿压显现剧烈 ，顶板岩层极易出现整体切落形式垮落 ， 上覆松散层紧附基岩沿煤壁切落又会对工作面形成瞬间冲 击载荷 ，严重影响工作面安全生产。 伊泰公司下属的纳林庙煤矿一号井主要开采东胜煤田6 号煤层，属于典型浅埋深煤层，3 2 60 1 工作面是该矿第一 个大采高综采工作面。因此，针对该工作面回采过程中的 矿压显现规律及支架适应性进行研究具有重要的现实意义 ， 研究成果将为该矿井后续大采高工作面及周边类似条件矿 井开采提供参考。 1 3 2 6 0 1工作面基本条件 3 2 6 0 1大采高工作面平均埋深8 8 m，松散层平均厚度 l O m，基岩层平均厚度7 8 m。工作面沿 6 2煤层底板布置， 地面标高 1 2 8 6～1 2 2 6 m，井下标高 1 1 5 2一1 1 6 4 m。 工作面走向长度 2 9 2 8 m，倾斜长度 1 8 0 m，煤层平均采高 5 ． 8 m，是典型的浅埋深长壁工作面。3 2 6一O 1大采高综采 工作面顶底板特征见表 1 。3 2 6 0 1大采高综采工作面配套 设备见表 2 。 3 2 6一 O 1 大采高工作面矿压观测设备采用 C D W一6 0型 支架压力记录仪。观测测站沿工作面布置 3个测站，分别 位于工作面的上部 1 4 、1 5号支架 、中部 4 2 、4 3 、4 4号 支架 和下部 8 2 、8 3 、8 4号支架 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 9 2 4 基金项目国家科技支撑计划项 目 2 0 1 2 B A B 1 3 B 0 2 作者简介刘江 1 9 6 4一 ，男 ，山西大同人 ，博士，高级工程师 ，主要从事矿山压力与岩层控制技术研究。 4 3 煤炭工程 2 0 1 3年第2期 2 工 作 面 矿 压 显 现 规 律 分 析 主 步 32距6 平- O均 1 2 ． 1 顶板来压规律分析 为1 0 ． 9 m，最大来压步距2 0 m， 最小来压步距4 m 。基本顶 根据工作面支架工作阻力实测数据，分析整理可得顶 周期来压动载系数最大为 1 ． 4 8 ，最小 1 ． O 1 ，平均 1 ． 1 2 。 表 1 3 2 6 0 1大采高综采工作面顶底板特征 表2 3 2 6 一 O 1 大采高综采工作面主要设备 2 ． 2 顶板来压特征分析 在 3 2 60 1 工作面的实际回采过程中发现 ，工作面开 采过后，对应的地表在滞后 3～ 4 d即发生塌陷下沉 ，裂隙 带周期性导通地表 基岩层全 部破断 对工作 面顶板来 压强 度也有影响，该变化特征可以通过基本顶历次周期来压动 载系数得出。3 2 6 0 1工作面中部支架所经历的基本顶历次 周期来压动载系数如图 1 所示 。 分析图 1 可知，3 2 6 0 1 工作面回采过程 中，每隔 3 5个周期来压，即工作面推进 3 0～ 5 0 m，基岩层发生一次贯 通地表的破断，松散层参与了基岩层的下沉破断运动，对 工作面顶板压力显现有明显影响；导致浅埋深工作面基本 顶周期来压强度存在的大小周期现象。 表 3各支 架周期来压步距 IT 1 支架 来压 次序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 3 液压支架适应性分析 液压支架工作阻力实测曲线，如图 2所示，可以反映 工作面支架在运行期间的循环末阻力、初撑力及工作阻力 分布频率等特征，通过分析上述参数，可以评价液压支架 的实际工作状态，以及是否满足支护要求。 3 ． 1 支架初撑力分析 初撑力是指液压支架通过泵压而给予顶板的主动支撑 力。较大的初撑力能使支柱较快达到工作阻力 ，减小顶板 4 4 下沉量，防止顶板早期离层破碎，一般要求支架实际初撑 力应达到设计初撑力的7 5 ％以上。 根据 3 2 6 0 1 工作面中部 4 2 、4 3 、4 J4 液压支架工作 阻力实测数据分析，工作面支架实际初撑力平均值统计结 果见表 4 。 表 4 支架平均初撑力统计 ． 7 9 8 8 8 m 4 m m 8 6 7 6 3 5 7 8 ● O 6 9 9 8 4 1 ＆ l 1 加 8 0 4 9 一 9 一 一 一 7 舵 2 0 1 3年第 2期 煤炭工程 籁 1 ．3 5 1 ．3 0 幅 1 ．2 5 1 ．2 0 匿 将 醐 ．1 5 ．1 O ．0 5 0 0 8 0 0 0 7 0 0 0 蚤 6 0 0 0 5 0 0 0 西 4 0 0 0 3 0 0 0 H 2o 0 O l 0 0 0 O 2 4 6 8 l 0 l 2 1 4 l 6 1 8 2 O 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 32 基本顶历次周期来压次序 ◆ 4 2 号支架 4 3 号支架_ ▲ 一 4 4 号支架 图 1 顶板来压强度变化特征 循环末阻力 、 ．f 厂 、 ／ ／ ● { Ⅱ 撑 7 - 1 80 4 2 5 月2 0 日 图 2 21 9 4 8 0 1 85 4 3 2 8 0 6 3 7 6 5 月2 O 日 5 月2 1 日 5 月2 1 日 5 月2 1 日 液压支架工作阻力实测 曲线 分析表 4可知，3 2 60 1工作面支架的平均初撑力为 6 6 1 4 k N，为支架额定初撑力 8 7 2 8 k N的 7 5 ． 8 ％，表 明支架 实际初撑力基本可以满足生产要求。 3 ． 2支架循环末阻力分析 循环末阻力是指工作面在完成一个推采循环后，液压 支架在开始降架工序前的最后一个力，该参数主要用于评 价液压支架额定工作阻力是否满足实际支护要求。 根据 3 2 6 0 1 工作面中部4 2 、4 3 、4 4 液压支架工作 阻力实测数据分析，工作面支架循环末阻力平均值见表 5 。 表 s 支架平均循环末阻力统计 分析表 5可知 ，工作 面支架 循环 末阻 力平均 值 为 7 9 0 2 k N，为额定工作阻力 1 3 0 0 0 k N 的 6 0 ． 8 ％，这表明工 作面使用的Z Y1 3 0 0 0 ／ 2 8 ／ 6 3支架额定工作阻力具有足够富 裕量 。 3 ． 3 支架工作 阻力分布频率分析 液压支架使用效率可 以采用数理统计方法，通过分析 支架工作阻力分布频率进行评价，分析其在各 区间中的所 占比例，总结支架工作效率，判断工作阻力富裕量。3 2 6 0 1 大采高综采工作面支架工作阻力在各区间段占的百分比 统计结果如图3 5所示。 通常情况下，工作面液压支架的实际工作阻力频率分 布状态若基本符合正态分布为最佳状态，说明该型号液压 7 0 丑6 0 冬 5 0 4 0 港3 0 0 姆 妻 80 6 0 衄 港 4 0 2 0 莲。 7 0 丑 6 O 5 0 4 O 蒌3 0 圈 2 0 1 0 船0 一 一 _ _ 一 一 一 l 2 3 4 - - 5 6 7 8 9 l l l 1 2 1 3 工作阻力／ x l 0 0 0 k N 图 3 4 2 支架工作 阻力分布直方图 ● 一 一 一 l 2 - 3 4 5 7 8 9 1 l I l 2 一l 3 工作阻力／ x 1 0 0 0 k N 图 4 4 3 支架工作 阻力分布直方图 一一 一 l 一 一 一 一 l 2 -3 4 - - 5 6 7 8 9 1 o ll 1 2 -1 3 工作阻力／ x 1 0 0 0 k N 图 5 4 4 支架工作 阻力分布直方 图 支架选型较为合理 ，支架工作阻力的利用率即较高，又具 有一定富余量。 分析图3～5可知，3 2 6 0 1工作面支架工作阻力分布 频率虽然也基本符合正态分布，但是高工作阻力出现的频 率较低 ，表明支架利用率不高，设计的额定工作阻力偏大。 4结论 1 3 2 6 0 1浅埋深大采高工作面基本顶周期来压步距 最大为2 0 m，最小为 4 m，平均 1 0 ． 9 2 5 m。基本顶周期来压 动载系数最大为 1 ． 4 8 ，最小为 1 ． 叭，平均 1 ． 1 2 。 2 3 2 6 0 1大采高综采长壁工作面支架循环末阻力平 均值为7 9 0 2 k N，达额定工作阻力 1 3 0 0 0 k N的 6 0 ． 8 ％；工作 面的平均初撑力为 6 6 1 4 k N，达支架额定初撑力的7 5 ． 8 ％， 支架实际初撑力基本可以满足要求。Z Y 1 3 0 0 0 ／ 2 8 ／ 6 3液压 支架支护效果良好 ， 支架工作阻力具有较大富余量，可以 满足工作面开采需要。 3 基本顶断裂与裂隙带导通地表两种现象周期性发生， 下转第4 8页 4 5 煤炭工程 2 0 1 3年第 2期 表 2 8 1 0 1综采工作面周期来压分析表 初撑力k N 图4工作面 5 9 支架初撑力与末 阻力 回归 曲线 2 ． 6 工作面支架栽荷分布规律 推进 2 5 6 ． 8～ 4 1 1 ． 2 m范围内，全部工作面支架载荷频 率分析情况其中 2 0～3 5 MP a占 6 7 ． 0 6 ％，3 5～4 0 MP a占 4 ． 9 7 ％，超过4 0 M P a仅有 0 ． 2 ％。说明工作面支架额定工 作阻力可满足正常生产需要，并且有一定富余能力。 沿工作 面方 向压力有 中部较 大 、上部 和下部 较小 的特 点 ，呈抛物线分布特征 ’ 。 3 矿压规律对比分析 对河东煤田泰山隆安煤业公司与神东矿区大柳塔煤矿 浅埋煤层工作 面矿压规律进行对 比分析 。 3 ． 1 工作面周期来压步距 前者周期来压步距 1 2 ． 6～1 5 ． 8 m，平均 1 4 ． 1 6 m；后者 周期来压步距 2 ． 4～ 2 4 ． 6 m，平均 9 ． 5 2 m。说明基岩薄者有 周期来压步距也相对小的特征。 3 ． 2支架受力特点 前者支架工作阻力6 7 ． 0 6 ％集中于4 5 3 5 7 9 3 7 k N；后 、 8 者支架工作阻力 7 0 ％集中于5 4 0 0 7 2 0 0 k N。说明2个工作 面支架均能满足实际要求且工作阻力大致相当。 3 ． 3 沿 工作 面方 向压 力分布 规律 两个工作面均体现出，沿工作面方向，压力呈中部大、 上部和下部较小的特点 。 4结论与建议 1 8 1 0 1 综采工作 面存在明显初次来压和周期来压， 工作面中部初次来压步距 5 4 5 9 m，平均5 5 ． 5 m；周期来压 步距 1 2 ． 6～1 5 ． 8 m，平均 1 4 ． 1 6 m。 2 采动应力的显现具有沿工作面方向中部较大、上部 和下部较小的特点 ，呈抛物线分布特征；工作面基本顶来 压当量为 1 1 8 0 ． 7 7～ 1 1 8 7 ． 1 3 k P a ，属Ⅳ级 a 类的来压非常强 烈型基本顶，回采时应高度重视基本顶初次垮落工作。 3 工作面支架的末阻力随初撑力程线性增长，回归公 式为 P 1 ． 0 3 3 7 P 。 2 7 0 ． 0 1 ，R 0 ． 7 6 5 7 ；工作面支架额 定工作阻力可满足正常生产需要，并且有一定富余能力。 参考文献 [ 1 ] 陈渊．纳林庙二号矿浅埋煤层矿压规律实测研究 [ J ] ．煤 炭工程 ，2 0 1 0， 5 5 0～ 5 1 ． [ 2 ] 吕志贤， 刘锐．神东矿区大采高综采面矿压显现规律的观 测和研究 [ J ] ．科 技情报开发与经济 ，2 0 1 0，2 0 2 1 6 7～ 1 6 9． [ 3 ] 高登云 ，高登彦．大柳塔煤矿薄基岩浅埋煤层工作面矿压规 律研究 [ J ] ．煤炭科学技术 ，2 0 1 1 ，3 9 1 2 2 0～ 2 2 ． [ 4 ] 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 ，2 0 0 3 ． [ 5 ] 李效军 ，吴徇．刘桥一矿综采工作面大倾角俯仰采开采矿 压规律研究 [ J ] ．华北科 技学 院学报 ，2 0 1 2 ，9 1 1 4～ 1 7 ． [ 6] 刘正和 ，赵 阳升 ，弓培林．大采高放顶煤工作面矿压显现规 律及 围岩控制研究 [ J ] ．太原理工大学学报 ，2 0 1 1 ，4 2 5 5 2 4 ～5 2 7． [ 7 ] 吕梦蛟．神东矿区长壁采场矿压显现规律与支架选型 [ J ] ． 煤炭科学技术 ，2 0 1 0，3 8 1 1 4 8～5 2 ． 上接第4 5页 且二者步距不同所导致的 3 2 6一 O 1大采高综采长壁工作面 顶板压力显现存在大小周期的内在机理。 参考文献 [ 1 ] 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 ，2 0 0 3 ． [ 2 ] 刘江 ，张孝福 ，曾海利．浅埋深大采高综采工作面液压支 架适应性分析 [ J ] ．煤炭工程 ，2 0 1 1 ， 7 4～ 5 ． [ 3 ] 刘江 ，任艳芳．浅埋深长壁工作 面矿压显现规律实测 分析 [ J ] ．煤矿安全， 2 0 1 0 ， 2 9 3 ～ 9 6 ． [ 4 ] 任艳芳， 刘江．浅埋深长壁工作面覆岩结构及支架支护阻 4 8 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 责任 编辑 郭继 圣 力研究 [ J ] ．煤矿开采 ，2 0 1 0，1 5 5 8 2～8 5 ． 任艳芳，齐庆新．浅埋 煤层长 壁开采 围岩应力场 特征研 究 [ J ] ．煤炭学报， 2 0 1 1 ，3 6 1 0 1 6 1 2～ 1 6 1 8 ． 任艳芳．薄基岩浅埋深长壁工作 面覆岩结构 运动特征 [ J ] ． 煤矿开采 ，2 0 1 1 ，1 6 3 3 5～3 7 ． 刘 江 ，任艳芳 ，齐庆新．长壁工作面顶板周期下沉量 的理 论分析与实测研究 [ J ] ．辽宁工程技术大学学 报自然科学 版 ，2 0 1 0 ，2 9 6 1 0 4 6～1 0 4 9 ． 陶志勇 ，任艳芳 ．薄基岩浅埋深综采工作面矿压规律实测分 析 [ J ] ．煤矿开采 ，2 0 0 9，1 4 3 9 3～ 9 4 ． 责任 编辑郭 继圣