大采高浅埋煤层矿压显现规律研究.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 - 1 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 大采高浅埋煤层矿压显现规律研究 朱庆伟1，李金华2* 基金项目 教育部博士点科研基金 （项目编号 20020004020） 。 陕西省自然科学基金 （项目编号 2009JQ5001） 。 陕西省教育厅专项基金（项目编号09JK606）的资助。 作者简介朱庆伟，男，（1975-），博士（后），副教授，主要遥感、地质灾害、沉陷预计等方面的教学 及研究工作. E-mail zqwbs （1. 西安科技大学测绘科学与技术学院，西安 710054； 2. 西安科技大学建筑与土木工程学院，西安 710054） 摘要 为了研究大采高浅埋煤层综采工作面矿压显现规律， 对张家峁煤矿 15201 综采工作面 （首采）矿压进行了现场观测，分析了初次来压和周期来压。通过来压时液压支架工作阻力 及动载系数分析可知，支架工作阻力分布以正态分布为主，初撑力富余量较大；液压支架初 撑力利用率偏低， 说明初撑力的管理有待加强。 本文为实现大采高浅埋煤层工作面支架选型 及正常开采提供了可靠的理论依据。 关键词大采高；浅埋煤层；矿压显现；初撑力；工作阻力 中图分类号TD323 Study on Strata Pressure Behavior of Shallow Coal Seam with Large Mining Height Zhu Qingei1, Li Jinhua2 1. School of Surveying, Science and Technology, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054; 2. College of Architecture and Civil Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054 Abstract In order to study strata pressure behavior of Shallow Coal Seam with Large Mining Height, field observation was carried out in Zhang Jiamao coal 15201 fully mechanized coalface first coalface, and first weighting and periodic weighting was analyzed. Analyzing woking resisitance and dynamic load coefficient of the hydraulic support，it showed that woking resisitance was of mostly normal distribution. There was surplus in setting load, and utilization rate was low in woking resisitance of hydraulic support. Therefore, setting load management should be strengthened. This paper provides a reliable theory for hydraulic support type choice and normal mining in shallow coal seam with large mining height. Keywordslargeminingheight;shallowcoalseam;stratapressure behavior;setting load;working resistance 0 引言引言 张家峁煤矿 15201 综采工作面所在煤层为 5-2煤层，是该矿的第一个回采工作面，四周 均为实煤体区。该煤层位于延安组第一段中上部，平均埋藏深度 88.6～132.9m，煤层平均厚 6.2m，属沉积稳定的厚煤层。工作面长度 266m，煤层倾角 1～3，煤层地质构造简单。 煤层直接顶以泥岩为主，其次为粉砂岩、砂质泥岩，厚度为 0.7m，呈深灰色，团块状， 易风化破碎，岩石平均抗压强度为 23.10MPa，属不稳定～较稳定型；基本顶以细粒砂岩为 主，次为粉砂岩，总厚 28m，浅灰色，成份以长石、石英为主，泥钙质胶结，原生结构有块 状层理、 槽状层理、 大型板状交错层理。 单层厚度大， 构造结构面不发育。 抗压强度为 10.9～ 48.2MPa，平均 27.44MPa，属半坚硬类不易软化岩石，岩体较完整。 煤层底板以粉砂岩为主，泥岩次之，厚度为 4.2m，呈深灰色，块状，含植物根部化石， - 2 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 泥质胶结，夹细粒砂岩薄层，平均抗压强度 26.37MPa。 根据国内外煤炭开采技术发展现状，结合本井田 5-2煤层赋存特点， 认为本井田 5-2煤层 属中厚～厚煤层，煤层赋存稳定，倾角小，顶底板稳定完整，采用单一长臂后退式综合机械 化采煤方法，正常回采期间工作面沿煤层底板回采，全部垮落、一次采全高的采煤方法。工 作面共设有 153 架液压支架，设计采高 6.3 米，采用双向割煤方式，往返一次割两刀。工作 面主要设备技术参数见表 1。 表 1 采煤工作面设备技术参数 Table1 Equipment technical parameters of coalface 设备名称 规格型号 主要技术参数 采煤机 MG900/2210GWD 装机功率 2210kW， 额定生产能力 2300t/h， 截深 0.865m， 采高 2.86.3m，额定电压 3300V 液压支架 ZY12000/28/63D 支架高度2.8～6.3m，中心距1750mm，电液阀控制，工 作 阻力12000kN，初撑力7916 kN， 顶梁长度4710 mm 超前支架 （运顺） ZYDC5150/25.5/46 支架高度2.55～4.6m，电液 阀控制，工作阻力5150kN 超前支架（回顺） ZFDC10300/27/47 支架高度2.7～4.7m，电液阀 控制，工作阻力10300kN 刮板机 SGZ1250/21000 长度260m，运输能力2500t/h，功率21000kW，电压 3300V 乳化泵 S375 工作压力37.5Mpa，公称流量430L/min，功率4280kW 1 矿压观测方案矿压观测方案 为全面掌握张家峁煤矿 15201 工作面矿压显现规律，通过对矿山压力理论的研究[12]， 针对该工作面埋深浅、 大采高的特点， 对工作面全部液压支架工作阻力及活柱下缩量进行全 面实时跟踪监测， 并且沿工作面倾向将 153 架液压支架分为 7 个测区， 每个测区布置 3 条观 测线，如图 1 所示。测区编号分别为I（15、16、17）、II（40、41、42）、III（51、 52、53）、IV（2、73、73）、V（93、94、95）、VI（113、114、115）、VII（140、 141、142）。由于采煤工作面上下顺槽两边受两端煤柱及开采情况影响较大，况且为首采 工作面，故 I、VII 测区为次要观测区。中部测区受两端煤柱及开采情况影响较小，其矿压 显现量具有代表性，故为 II、III、IV、V、VI 测区为主要测区，观测数据也较多。15201 工 作面矿压测区布置图如图 1 所示。 图 1 15201 工作面矿压测区布置图 Fig.1 Strata pressure survey area arrangement plan of 15201 working face - 3 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 2 矿压显现规律矿压显现规律 2.1 沿走向工作面矿压规律沿走向工作面矿压规律 沿走向工作面矿压特征包括直接顶初次垮落、老顶初次来压和周期来压特征[35]。用式 （1）作为来压判据。 1 2 Mp PPσ （1） 式中 PM为判定老顶来压的工作阻力（来压判据）；p 为观测期间全部支架时间加权 工作阻力平均值；σp为全部支架时间加权工作阻力均方差。 根据现场实际情况， 选取观测期间支架时间加权工作阻力平均值加上支架一倍时间加权 工作阻力均方差作为基本顶来压判据。 经过对现场实测数据进行统计分析计算， 得到了 15201 工作面中间 5 个测区具有比较明 显的初次来压和周期来压。 表 2 列出了初次来压与周期来压期间来压明显的 5 个测区的平均 来压步距，影响距离及动载系数。 表 2 15201 工作面各测区来压情况一览表 Table2 Roof weighting list of 15201 working face 初次来压 周期来压 测区 L初 X初 K初 L周 X周 K周 II 55.77 1.07 1.53 13.96 2.13 1.56 III 55.50 1.60 1.54 11.85 1.76 1.51 IV 55.43 1.47 1.66 11.89 1.97 1.56 V 56.10 2.80 1.63 11.79 1.45 1.57 VI 55.83 2.27 1.48 11.82 1.77 1.53 平均值 55.73 1.84 1.57 12.26 1.82 1.55 表中L-来压步距/m；X-来压持续距离/m；K-动载系数。 I 测区与 VII 测区由于受两端煤柱的影响在采煤工作面矿压显现并不同步，具有明显的 滞后性。通过对采空区实地观察后发现，滞后距离约 10～50m，影响支架范围为 128和 129153，影响距离为机头处 48 米及机尾处 42 米。 从表 2 可以看出 IIVI 测区初次来压步距最大为 56.1m， 最小为 55.43m， 平均为 55.7m， 影响范围为 0.42.8m。周期来压步距最大为 13.96m，最小为 11.79m，平均为 12.26m，影响 范围为 0.45m。来压期间支架最大工作阻力为 10903kN，占额定工作阻力的 90.86，平均 工作阻力为 9799 kN， 占额定工作阻力的 81.66； 非来压期间支架最大工作阻力为 7221kN， 占额定工作阻力的 60.16kN。5 个测区的初次来压平均动载系数为 1.57，周期来压期间平 均动载系数为 1.55。本文仅以第 I 测区与第 IV 测区的液压支架平均工作阻力（活柱平均下 缩量）与推进距离关系曲线为例，见图 2、图 3。 - 4 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 测区二 0 50 100 150 200 250 300 350 013 21 23 27 30 32 40 46 49 52 55 55 55 56 58 59 60 62 66 69 73 77 81 82 85 88 95 98 103 107 109 113 123 126 推进距离/m 支 架 工 作 阻 力 / M P a 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 活 柱 平 均 下 缩 量 / m m 支柱平均载荷支柱平均最大载荷判据二平均阻力1.0σ活柱平均下缩量 图 2 第 I测区液压支架平均工作阻力（活柱平均下缩量）与推进距离关系曲线 Fig.2 The survey area I curve of average hydraulic support working resistance and advance distance about 图 3 第 IV 测区液压支架平均工作阻力（活柱平均下缩量）与推进距离关系曲线 Fig.3 The survey area IV curve of average hydraulic support working resistance and advance distance about 2.2 沿倾向工作面矿压规律沿倾向工作面矿压规律 张家峁煤矿 15201 工作面于 2009 年 4 月 30 日开始回采，回采约 810 刀（机头 11 米， 机尾 8.9 米）后，于 6 月 17 日晚班凌晨 4 点进行了强制放顶。6 月 17 日早班 8 点开始正式 回采。 初次来压之前，工作面支架工作阻力普遍较小，多数为 220300bar，这种情况一直持续 到 7 月 1 日晚班凌晨 3 点。从凌晨 1 点开始至凌晨 3 点 50 分采煤工作面顶板及煤壁开始出 现淋水现象， 特别是中部煤壁向外鼓出， 有吱吱响声，并伴有片帮现象，片帮最大达 300mm 左右，活柱下缩量明显增大，不时有大块煤割落，由于未留设顶煤，从 65 架至 110 架裸露 的伪顶岩石出现破碎现象，并且伴随有顶板有断裂声响。以上现象说明从 7 月 1 日凌晨 4 点回采工作面初次来压开始，对应的推进距为机头 56.6m，机尾 52.7m，平均为 54.65m，来 压前后所有液压支架工作阻力分布情况见图 4 所示。 由于受割进速度影响，到 7 月 2 日中午 12 点机头只推进 0.6m，机尾推进 0.9m，此时液 压支架从 62 架到 108 架工作阻力多数在 450500bar，初次来压尚未结束，该阶段所有支架 工作阻力变化曲线如图 5 所示。 从 7 月 3 日晚 8 点到 7 月 4 日凌晨 3 点，此时工作面推进到机头 59.5m及机尾 56.1m， 平均推进 58m。除 62 架和 72 架压力达到 480bar 以上，以及少数几架在 300400bar 以外， 其余压力均回落到 300bar 以下，并且工作阻力变化速率小于 1bar/h，表明初次来压结束。 此次初次来压共持续 3 天，持续距离为 3.3m，来压期间来压支架（29128）平均来压强度 为 331.94bar。 - 5 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 16111621263136414651566166717681869196101 106 111 116 121 126 131 136 141 146 151 支架架号 支 架 工 作 阻 力 / M P a 7月1日 300来压前支架压力曲线7月1日 400来压后支架压力曲线 图 4 初次来压前后支架工作阻力变化曲线 Fig.4 The change curve of all supports working resistance pre and post first weighting 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 16111621263136414651566166717681869196101 106 111 116 121 126 131 136 141 146 151 支架架号 支 架 工 作 阻 力 / M P a 7月2日 1200来压前支架压力曲线 图 5 初次来压所有支架工作阻力变化曲线图 Fig.5 The change curve of all supports working resistance under first weighting 从 7 月 4 日凌晨 3 点初次来压过后，当综采工作面推进到 65.4 米时，III 测区液压支架 荷载压力再次出现峰值，活柱下缩量增大，此为工作面 III 测区顶板第一次周期来压，随后 IV、V、VI 测区依次出现第一次周期来压，老顶的第一次来压平均步距为 11m，来压步距 持续距离为 1.76m，来压期间支架最大工作阻力为 12489.6kN（497bar），是额定工作阻力 的 1.04 倍；平均工作阻力为 9904.2kN（394.12bar），是额定工作阻力的 82.53，动载 系数为 1.57。伴随现象片帮、顶板破碎，顶板有断裂声响并垮落，个别液压支架安全阀开 启，回风巷超前单体支柱压力升高，柱缩增大。第一次周期来压期间支架工作阻力变化如图 6 所示。 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 16111621263136414651566166717681869196101 106 111 116 121 126 131 136 141 146 151 支架架号 支 架 工 作 阻 力 / M P a 7月6日 1900来压前支架压力曲线 图 6 第一次周期来压期间所有支架工作阻力变化曲线图 Fig.6 The working resistance change curve of first periodic weighting of all supports - 6 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 随着工作面的继续推进，当工作面分别推进到 77.1m、85.9m、102.6m、113m及 126.5m 时，出现了明显的来压现象，工作面老顶出现了第二、三、四、五及六次周期来压，来压步 距分别为 10.4 米、9.8 米、16.6 米、10.4 米及 13.5 米，共观测到六次周期来压。以第 4 次周 期来压期间所有支架工作阻力变化曲线图见图 7 所示。 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 16111621263136414651566166717681869196101 106 111 116 121 126 131 136 141 146 151 支架架号 支 架 工 作 阻 力 / M P a 7月18日 300来压前支架压力曲线 图 7 第 4 次周期来压期间所有支架工作阻力变化曲线图 Fig.7 The working resistance change curve of fourth periodic weighting of the supports 3 液压支架工作阻力支护特性分析液压支架工作阻力支护特性分析 3.1 支架初撑力分析支架初撑力分析 由 7 个测区初撑工作阻力变化规律可知，按照额定初撑力 315bar7916kN计算，作业规 程中要求初撑力达到规定值额定值的 80，应为 252bar 6332.8kN，约一半的液压支架的 初撑力没有达到该规定值。此外，由支架初撑力与推进距离关系曲线可以看出，同一支架的 初撑力大小存在明显和较大幅度的波动。因此，初撑力的管理存在一定的问题，需要进一步 对初撑力加强管理。 各测区平均初撑力为 223.76247.68bar，平均 237.62bar，占额定初撑力315bar的 75.43，因此，支架的初撑力发挥程度小于 80，设计初撑力利用率偏低，初撑力还有一 定富余量。 就各测区支架平均初撑力分布区间频率分布及频率分布直方图而言， 各测区支架平均初 撑力分布呈较为规则的偏正态分布，符合大采高阻力特点，阻力在 150350bar 的阻力循环 所占的比例大于 70，该范围以外的初撑力所占比例小于 30，其中大于 250bar 的比例高。 3.2 支架末阻力分析支架末阻力分析 15201 试采工作面液压支架额定工作阻力为 477.5bar12000kN，各测区平均末阻力为 223.33275.37bar，平均 253.73bar，占额定末阻力477.5bar的 53.14；各测区最大平均末 阻力为 298.33492bar，平均 426.83bar，占额定末阻力477.5bar的 89.34。就平均末阻力 来看，发挥程度仅为 53.14，平均工作阻力有较大的富余。 各测区支架平均末撑力分布基本呈较为规则的正态分布， 虽然有个别测区有双正态叠加 趋势，但第二峰值相比第一峰值很低，近似于正态特征，符合大采高阻力特点。 3.3 支架工作阻力分析支架工作阻力分析 支架载荷分布以正态分布为主， 只有部分支架工作阻力呈现双正态叠加， 符合神府煤田 - 7 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 大采高特点。 7 个测区液压支架工作阻力大于额定工作阻力 94.2（450bar）以上的分别为1.29、 0.64、4.84、10.08、1.18，该百分比进一步说明工作面顶板来压比较剧烈，特别是中 下部支架来压时工作阻力占额定工作阻力的 94.2以上的竟达到 10.08， 是其他测区的 2～ 8 倍，但卸压阀开启数量仅占 1，从整体上来看支架阻力仍然有较大富裕，说明该类支架 的选型偏于保守。 3.4 支架初撑力与工作阻力的关系支架初撑力与工作阻力的关系 图 8 为 15201 试采工作面液压支架初撑力与工作阻力的关系图。由图可知，有 1.43的 点在 Pm1.85P0 的直线外；有 1.31的点在 Pm1.12P0 的直线以下，也就是说在 1750 个样 本资料中 97.26的 Pm-P0 点在这两条直线内。 通过数据回归分析，得到支架初撑力 P0 与工作阻力 Pm 的线性关系为 Pm1.25P0，即 初撑力与工作阻力呈线性关系，可以看出，随初撑力的增大，支架工作阻力线性增加。 图 8 支架初撑力与工作阻力关系图 Fig.8 The relation of the setteing load and working resistance 4 结论结论 本文给出了 （1）分析了 15201 工作面的初次来压和周期来压，初次来压平均步距为 55.73m，平均 周期来压步距为 12.26m。 由 7 个观测区矿压显现规律可以看出， IIIV区有明显的初次来压 和周期来压特征， 说明两侧顺槽煤体的存在对于矿压的影响是显著的， 应进一步研究预留煤 柱对煤矿安全生产的影响。 （2）15201 工作面来压时平均支架载荷为 9813.6KN/架，最大平均载荷达 10901KN/架， 比普通综采的 II 级顶板所需载荷高 85，比普通综采的 III 级顶板所需载荷高 50，比普通 综采的 IV 级顶板所需载荷高 20，故接近普通综采的 IV 级顶板所需载荷。按照最大平均 载荷达 10901KN/架选型， 来压时只有不到 1的支架在来压时安全阀开启， 说明目前该工作 面所选用支架是安全可靠的。 （3）从初撑力分析可以看出，各测区平均初撑力 237.62bar，占额定初撑力315bar的 75.43，支架的初撑力发挥程度小于 80，设计初撑力利用率偏低。因此，在实际生产移 架时，加强对液压支架初撑力的管理，使其达到操作规程中所规定的初撑力。 （4）由 PmP0关系（图 8）可知，工作阻力 Pm与初撑力 P0存在线性关系Pm1.25P0， 随着初撑力的增大，支架工作阻力线性增加。 - 8 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 [参考文献参考文献] References [1]侯忠杰,谢胜华,张杰.地表厚土层浅埋煤层开采模拟实验研究[J].西安科技大学学报,2003,234357-360. 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