浅埋煤层大采高工作面矿压显现规律及支架工作阻力研究_秋丰岐.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 浅埋煤层大采高工作面矿压显现规律 及支架工作阻力研究 秋丰岐， 朱磊， 古文哲， 刘治成， 张新福， 潘浩， 宋天奇 （中煤能源研究院有限责任公司， 陕西 西安 710054） 摘要 为了研究浅埋煤层大采高工作面矿压显现规律并确定其合理的支架工作阻力， 选取神 东大柳塔煤矿 5-2煤 503 工作面作为研究对象，通过薄板理论以及现场实测矿压数据对浅埋煤 层大采高工作面矿压显现的规律进行了研究， 并结合 2 种不同的理论计算公式对支架支护阻力 进行分析。结果表明 52503 工作面初次来压步距为 64.4 m， 与基于薄板理论计算得到初次来压 步距 61.7 m 基本一致； 正常回采期间周期来压步距在 7.65～29.75 m 之间波动， 平均为 19.16 m， 动载系数 1.45～1.57，平均为 1.50，矿压显现强烈；来压期间工作面沿倾向方向的支架阻力呈 “凸”型分布，其中工作面下部支架阻力约为中部的 69.8，工作面上部支架阻力约为中部 66.5； 基于 2 种支护强度理论计算得到的工作阻力分别为 17 871 kN 和 19 890 kN， 均小于额 定工作阻力为 21 000 kN 的 ZY21000/36.5/70D 型液压支架， 能够满足工作面上方顶板压力的支 护要求。 关键词 浅埋煤层； 大采高； 综采工作面； 矿压规律； 支架工作阻力 中图分类号 TD323文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 11-0243-05 Mining Pressure Law and Working Resistance of Support in Face with Large Mining Height in Shallow Seam QIU Fengqi, ZHU Lei, GU Wenzhe, LIU Zhicheng, ZHANG Xinfu, PAN Hao, SONG Tianqi （China Coal Energy Research Institute Co., Ltd., Xi’ an 710054, China） Abstract In order to study the law of ground pressure appearance in the face with large mining height in shallow coal seam and determine its reasonable working resistance of support, the 5-2coal 503 working face of Daliuta Coal Mine in Shendong is selected as the research object. The law of ground pressure appearance in the face with large mining height in shallow coal seam is studied through the thin plate theory and the field measured ground pressure data, and the support resistance is calculated by combining two different theoretical calculation ulas force analysis. The results show that the initial step distance of 52503 working face is 64.4 m, which is basically consistent with 61.7 m calculated based on thin plate theory; the periodic weighting step fluctuates between 7.65 m and 29.75 m during the normal mining period, with an average of 19.16 m, a dynamic load coefficient of 1.45- 1.57, an average of 1.50, which shows a strong mine pressure; during the weighting period, the support resistance along the inclined direction of the working face presents a “convex”type among them, the lower support resistance of the working face is about 69.8 of the middle part, and the upper support resistance of the working face is about 66.5 of the middle part; the working resistance calculated based on the two support strength theories is 17 871 kN and 19 890 kN respectively, which is smaller than the ZY21000/36.5/70D hydraulic support with the rated working resistance of 21 000 kN, which can meet the support requirements of the roof pressure above the working face. Key words shallow seam; large mining height; fully mechanized coal face; mine pressure law; working resistance of support DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.050 秋丰岐， 朱磊， 古文哲， 等.浅埋煤层大采高工作面矿压显现规律及支架工作阻力研究 ［J］ . 煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 243-247. QIU Fengqi, ZHU Lei, GU Wenzhe, et al. Mining Pressure Law and Working Resistance of Support in Face with Large Mining Height in Shallow Seam ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 243-247.移动扫码阅读 243 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 2四边固支薄板模型 Fig.2Model of four-side fixed thin plate 表 1煤层顶底板岩性特征 Table 1Characteristics of coal seam roof and floor 顶底板岩石名称厚度/m岩性特征 基本顶 直接顶 伪顶 直接底 细砂岩 粉砂岩 泥岩 粉砂岩 2.9～21.8 12.7 0～2.3 1.3 0～0.23 0.1 1.3～4.9 2.8 灰白色， 分选中等， 磨圆 度好，成份以石英为主， 泥质胶结，水平层理， 硬 度坚固。 灰色， 微波状层理， 泥质 胶结，富含植物化石， 比 较坚固。 灰色-灰褐色，水平层理 发育， 比较软。 灰色， 泥质胶结， 水平层 理发育，局部有泥岩、 粗 砂岩薄层发育， 岩性比较 坚固。 我国煤炭资源开发正处于 “西移” 开采阶段， 亿 吨级煤炭企业、千万吨级特大型煤矿等相继在西部 建成[1]。神东矿区作为正在建设的 14 个亿吨级大型 煤炭能源基地之一[2]， 其储量高达 1 349.4 亿 t， 且具 有煤层埋深小、厚度大以及地质构造简单等天然优 势[3]， 如何能够对该区域厚煤层实现安全、 高效、 高 产的开采是当前煤矿企业以及科研院所研究的重 点[4-5]。其中， 大采高一次采全厚开采方法作为一种 有效的生产方式已在 3.5～8.0 m 中硬及以上厚煤层 实现高效开采中发挥了重要的作用[6-8]。但由于大采 高综采工作面一次采出空间大，靠近煤层的基本顶 无法形成稳定的砌体梁结构，导致工作面煤壁片帮 严重，严重时会引发瞬时冲击载荷或支架压死等灾 害[9-10]。因此， 有必要对因煤层开采而引起的采场矿 压进行监测，以便更好地掌握浅埋大采高工作面顶 板活动规律、来压特征以及工作面支架受力等特 点。尽管国内众多学者从矿压显现规律[11-12]、 矿压防 治[13-15]以及支架支护阻力[16-17]等方面进行了深入的 研究，并取得了一定的研究成果，但鲜有对工作面 两边均存在断层且与工作面走向平行的大采高工作 面矿压显现规律进行研究的。基于此，以神东大柳 塔矿 52503 大采高工作面为研究对象，在前人的研 究基础上，采取理论分析以及现场实测的方法对浅 埋煤层大采高工作面矿压显现规律进行研究，同时 对支架工作阻力进行了计算以确保所选支架能够满 足煤层顶板压力的要求。以期为同类工程提供顶板 控制和支架选型的相关经验。 1工作面概况 神东大柳塔 52503 大采高工作面，位于 5-2 煤 层五盘区， 倾向长度 168.5 m， 推进长度 4 383.4 m， 煤厚 7.0～7.5 m， 平均 7.15 m， 设计采高 6.8 m， 地面 标高为 1 082.7～1 216.4 m，煤层底板标高 957.5～ 996.9 m， 煤层顶底板岩性特征见表 1。工作面采用 一次采全高全部垮落后退式综合机械化采煤法。另 外， 52503 工作面与两边尚未开采的工作面之间均 被大断层隔开， 落差约为 25～40 m， 两断层均为正断 层，且与工作面走向方向基本保持平行，从切眼延 续到回撤通道， 其平面示意图如图 1。 2大采高顶板破断特征理论分析 工作面自切眼开始向前不断回采，直至初次垮 落之前基本顶一直处于悬空状态，且其厚度与宽度 之比介于 1/7～1/5 之间，由薄板理论的定义可知采 场上方基本顶厚度与其在推进方向上的跨度之比满 足薄板理论的基本条件，因此将采场上方基本顶看 作薄板结构，更能体现工作面推进过程基本顶受力 的真实变化情况。采场基本顶初次垮落前，基本顶 四边全固定在煤壁之中，故可将其视为四边固支的 矩形薄板， 并建立四边固支薄板模型如图 2。 图 152503 工作面断层平面示意图 Fig.1Fault plan of 52503 working face 244 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 325液压支架循环末阻力曲线 Fig.3Resistance curves of 25hydraulic support 设工作面推进方向的长度为 2a， 倾向方向的长 度为 2b， 基本顶受的均布载荷为 q。根据文献[18]对 基于弹性薄板理论的采场顶板破断特征分析，可知 四边固支矩形薄板的弯矩为 Mx-D ∂ 2 ω ∂x 2 μ ∂ 2 ω ∂y 2（） -4DA1B1 My-D ∂ 2 ω ∂y 2 μ ∂ 2 ω ∂x 2（） -4DA1B2 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ （1） A1 49q 128D （7a 4 4a 2 b 2 7b 4） B1 （ （y 2 -b 2）2 （3x 2-a2 ） μ （x 2-a2 ） 2 （3y 2 -b 2 ） ） B2 （ （x 2 -b 2）2 （3y 2 -a 2） μ （y2 -a 2）2 （3x 2 -b 2） ） 式中 Mx为 x 方向的弯矩， kN m； My为 y 方向 的弯矩， kN m； D 为抗弯曲刚度， DEh 3 /12 1-μ 2 （）； μ 为泊松比； h 为板的厚度， m； E 为弹性模量， MPa； ω 为板的挠度； q 为作用在板上的均布载荷， MPa； a 为 1/2 矩形薄板长边， m； b 为 1/2 矩形薄板短边， m。 由弹性力学的应力推导公式，可知矩形薄板的 顶板弯应力分量表达式为 σx- Ez 1-μ 2 ∂ 2 ω ∂x 2 μ ∂ 2 ω ∂y 2（） - 4EzA1B1 1-μ 2 σy- Ez 1-μ 2 ∂ 2 ω ∂y 2 μ ∂ 2 ω ∂x 2（） - 4EzA1B2 1-μ 2 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ （2） 式中 σx为 x 方向的弯应力， MPa； σy为 y 方向 的弯应力， MPa； z 为距薄板中性面的距离， m。 由式 （1） 可求固支等厚薄板四边的弯矩值， 采用 数学极限求导法对其进一步求导， 可得到 Mx， My分 别在 xa 和 yb 和处得到最大值， 此时对应的顶 板应力 σx和 σy也达到最大值。而 σx和 σy在结构有 良好的轮换性， 故只需对 x 方向进行分析即可， 则 σmaxσx| a， （ ） 0 - 147q 8 7a 4 7b 4 4a 2 b 2 （）h 2 a 2 b 4 （3） 由材料力学中的最大拉应力强度准则可知。基 本顶岩层不发生破断的安全跨度满足 σmax≤ σt ［ ］ （4） 式中 σmax为顶板岩层中最大拉应力， MPa； σt ［ ］ 为顶板岩层抗拉极限强度， MPa。 将式 （3 ） 代入式 （4） ， 可得到关于初次破断步距 相关参数 a 的解析式 147q 8 7a 4 7b 4 4a 2 b 2 （）h 2 a 2 b 4 ≤ σt ［ ］ （5 ） 根据工作面实际地质开采条件，工作面长度为 168.5 m， 所受载荷为 0.6 MPa， 岩层抗拉强度为 5.8 MPa， 基本顶厚度为 12.7 m， 代入式 （5 ） 可得基本顶 的初次来压步距为 61.7 m。 3大采高工作面矿压显现规律 为了掌握浅埋煤层大采高工作面顶板活动规律 和来压特征，决定采用间隔布置的方式对工作面的 86 台液压支架安装压力传感器， 即从 5支架开始每 隔 5 架布置 1 个测点直至 85支架结束，共布置 17 个测点。从工作面切眼开采时就开始进行矿压监 测， 直至整个工作面全部回采结束为止。 3.1工作面初次来压规律 根据各测点液压支架压力统计的数据。工作面 推进到距开切眼 54.6 m 处时发生初次来压， 加上开 切眼的宽度 9.8 m， 得到初次来压步距为 64.4 m， 这 与基于弹性薄板理论计算得到的初次来压步距 61.7 m 较为吻合。初次来压时工作面片帮比较明 显， 顶板局部地方发生漏矸现象， 安全阀开启 30。 初次来压范围从 15～75支架， 占总支架数的 76， 来压持续距离约为 7 m， 压力在 41 MPa 左右。 3.2工作面周期来压规律 工作面初次来压之后， 开始进入周期来压阶段。 选取工作面从 940 m 推进到 1 080 m 区间内的压力 数据为研究对象，并以 25液压支架代表工作面下 部测区、 40液压支架代表工作面中部测区、 65液压 支架代表工作面上部测区分别对工作面推进时上覆 岩层的压力变化进行监测。各测区液压支架的循环 末阻力曲线图 3～图 5。 1） 随工作面的不断推进， 3 个测区液压支架的 245 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 6工作面倾向压力分布曲线 Fig.6Inclined pressure distribution curves of working face 循环末阻力曲线沿走向方向的变化规律基本一致， 并表现出明显的周期性，其中 25液压支架的周期 来压步距为 14.45～27.2 m，平均周期来压步距约为 20.3 m； 40液压支架的周期来压步距为 14.45～ 29.75 m， 平均周期来压步距约为 20.2 m； 65液压支 架的周期来压步距为 7.65～24.65 m，平均周期来压 步距约为 17.0 m。 2） 工作面下部测区 25液压支架来压时的压力 平均值为 42.2 MPa， 非来压期间支架压力平均值为 28.6， 动载系数平均为 1.48； 工作面下部测区 40液 压支架来压时的压力平均值为 44.2 MPa， 非来压期 间支架压力平均值为 28.2，动载系数平均为 1.57； 工作面下部测区 65液压支架来压时的压力平均值 为 40.5 MPa，非来压期间支架压力平均值为 27.9， 动载系数平均为 1.45。 3） 在此来压期间， 矿压显现明显， 来压持续距离 1～7 m， 部分安全阀开启， 煤壁片帮严重， 大块较多。 顶板下沉导致支架立柱压力增大，立柱下缩量最大 达 900 mm。 3.3工作面倾向方向矿压规律 52503 大采高工作面倾向方向来压与非来压期 间支架的所受压力分布曲线如图 6。 由图可见， 大采 高工作面来压期间支架所受压力明显高于非来期 间，这是由于大采高工作面采空区上覆岩层运动空 间大， 活动剧烈， 靠近煤层的基本顶难以形成稳定结 构，因此易导致工作面来压强烈。来压期间工作面 沿倾向方向的支架阻力呈 “凸” 型分布， 工作面中部 的压力明显高于两端，工作面中部的压力平均约为 46.59 MPa， 工作面下部的压力平均约为 32.52 MPa， 工作面上部的压力平均约为 30.96 MPa。 4支护强度验算 根据 52503 工作面顶底板岩性特征和煤层的厚 度等条件， 选用全部垮落法管理顶板。52503 工作面 采用 ZY21000/36.5/70D 型支撑掩护式液压支架支 护工作面上覆岩层， 额定工作阻力 21 000 kN。 4.1载荷估算法 工作面支护阻力采用经验公式计算[19] pt 4～ （） 8 MρgL1L2（6 ） 式中 pt为支架支护阻力， kN/m2； M 为工作面采 高 6.8 m； ρ 为岩层平均密度， 2.29～2.76 t/m3， 取平均 2.4 t/m3； L1为支架宽度 2.05 m； L2为支架最大控顶 距 6.675 m。 经计算， pt17 871 kN， 该值小于工作面所选支 架的额定工作阻力 21 000 kN。因此，所选郑煤 ZY21000/36.5/70D 液压支架的支护是能够满足煤层 顶板压力的要求。 4.2实测统计法 根据对 52503 实测来压步距，可用下式对工作 面支护阻力进行计算[20] p0 72.3M04.5L078.9La-10.24N-62. （） 1 k sLaLb（7） 式中 p0为支架支护阻力， kN/m2； M0为工作面 采高 6.8 m； L0为工作面初次来压步距 64.4 m； La为 图 565液压支架循环末阻力曲线 Fig.5Resistance curves of 65hydraulic support 图 440液压支架循环末阻力曲线 Fig.4Resistance curves of 40hydraulic support 246 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 支架最大控顶距 6.675 m； Lb为支架宽度 2.05 m； N 为等效直接顶与采高之比 4.4； ks为安全系数 1.3。 经计算， p019 890 kN， 该支护阻力为额定工作 阻力的 93， 因此， 现使用的郑煤 ZY21000/36.5/70D 液压支架是可行的。 5结论 1） 通过对 52503 工作面液压支架实测的工作阻 力分析得到工作面的初次来压步距为 64.4 m， 这与 基于薄板理论计算得到初次来压步距为 61.7 m 基 本一致， 来压持续距离约为 7 m。 2 ） 52503 工作面正常回采期间周期来压步距为 7.65～29.75 m，平均周期来压步距约为 19.16 m， 动 载系数为 1.45～1.57， 平均为 1.50， 矿压显现强烈， 顶 板下沉导致支架立柱压力增大，立柱下缩量最大达 900 mm。 3） 52503 工作面来压期间工作面沿倾向方向的 压力近似成 “凸” 型分布， 工作面中部压力平均约为 46.59 MPa， 工作面下部压力平均约为 32.52 MPa， 约 为上部 69.8，工作面上部压力平均约为 30.96 MPa， 约为中部 66.5， 且大采高工作面来压期间支 架所受压力明显高于非来期间。 4） 通过 2 种支护强度理论计算分别得到 52503 工作面合理的工作阻力为 17 871 kN 和 19 890 kN， 均小于额定工作阻力为 21 000 kN 的 ZY21000/36.5/ 70D 型液压支架，能够满足工作面上方顶板压力的 支护要求。 参考文献 ［1］ 王云广， 郭文兵， 白二虎， 等.高强度开采覆岩运移特 征与机理研究 ［J］ .煤炭学报， 2018， 43 （S1） 28-35. ［2］ 王淑燕.神东矿区资源开发利用研究与探索 ［J］ .煤矿 安全， 2017， 48 （S1） 104-108. ［3］ 张建华.薄基岩浅埋煤层安全开采技术研究 ［D］ .太 原 太原理工大学， 2011. ［4］ 赵勋益， 雷文成， 万志军.中厚煤层高产高效开采上覆 岩层的破断规律 ［J］ .矿山压力与顶板管理， 2003 （4） 78-80. ［5］ 郭佐宁， 黄永安， 崔峰， 等.两硬浅埋条件下 6.0m 采高 工作面顶板运移规律数值分析 ［J］ .西安科技大学学 报， 2011， 31 （1） 1-5. ［6］ 张子飞， 杨俊哲， 代贵生， 等.7 m 大采高综采工作面 开采关键技术研究 ［J］ .煤炭工程， 2015， 47 （3） 1. ［7］ 刘洋， 吴桂义， 孔德中， 等.大采高工作面支架阻力确 定及顶板运移规律的采厚效应分析 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （2） 202-205. ［8］ 梅星， 孔德中， 刘新杰， 等.深埋薄基岩大采高工作面 矿压规律研究 ［J］ .煤矿安全， 2014， 45 （4） 21. ［9］ 许家林， 朱卫兵， 鞠金峰.浅埋煤层开采压架类型 ［J］ . 煤炭学报， 2014， 39 （8） 1625-1634. ［10］ 管杰， 李彦斌， 李立功， 等.大采高一次采全高工作面 片帮机理及控制方案 ［J］ .煤矿安全， 2015， 46 （9） 232-235. ［11］ 杨俊哲.7.0 m 大采高工作面覆岩破断及矿压显现规 律研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2017 （8） 1-7. ［12］ 柴敬， 高登彦， 王国旺， 等.厚基岩浅埋大采高加长工 作面矿压规律研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2009， 26 （4） 437-440. ［13］ 鞠金峰， 许家林， 王庆雄.大采高采场关键层 “悬臂 梁” 结构运动型式及对矿压的影响 ［J］ .煤炭学报， 2011， 36 （12） 2115-2120. ［14］ 于斌， 朱卫兵， 李竹， 等.特厚煤层开采远场覆岩结构 失稳机理 ［J］ .煤炭学报， 2018， 43 （9） 2398-2407. ［15］ 鞠金峰， 许家林， 朱卫兵， 等.大柳塔煤矿 22103 综采 面压架机理及防治技术 ［J］ .煤炭科学技术， 2012， 40 （2） 4-7. ［16］ 高登彦， 杨金楼.大柳塔煤矿 52 煤 7 m 大采高综采工 作面支架工作阻力分析 ［J］ .中国矿业， 2016， 25 （2） 80-84. ［17］ 余学义， 穆驰， 毛旭魏， 等.大采高综采工作面支架合 理工作阻力研究 ［J］ .煤矿安全， 2017， 48 （6） 196. ［18］ 于辉.基于薄板理论的首采工作面基本顶来压步距 数值研究 ［J］ .科学技术与工程， 2018， 18 （21） 195. ［19］ 吴成峰.液压支架工作阻力确定方法 ［J］ .煤矿机械， 2015， 36 （10） 64-66. ［20］ 钱鸣高， 石平五， 许家林.矿山压力与岩层控制 ［M］ . 徐州 中国矿业大学出版社， 2010. 作者简介 秋丰岐 （1994） ， 陕西乾县人， 助理工程师， 硕士， 2019 年毕业于西安科技大学，主要从事充填开采方 面的工作。 （收稿日期 2020-03-05； 责任编辑 朱蕾） 247