现场矿压观测方案设计(1).pdf

现场矿压观测方案设计 汤建泉 1 ,粟才全 2 ,李英德 3 1 1山东科技大学,山东 泰安271019; 21林东矿业集团公司,贵州 贵阳55000; 31山东科技大学 资环学院,山东 青岛266510 [摘 要] 传统的矿压观测技术同现代电子技术结合,利用科学的观测方案、先进的观测仪器 仪表和计算机管理系统对采煤工作面和巷道进行矿压观测,能极大地提升工作效率和观测结果的准确 性、科学性,具有广阔的应用前景。先后分析了矿压研究基本方法、观测目的要求,观测方案、观测 的组织工作等内容,较为系统地介绍了现代电子观测技术的应用。 [关键词] 矿压观测;观测方案;仪器仪表 [中图分类号] TD326 [文献标识码] B [文章编号] 100626225 2008 0120071204 On2the2spotObservation Design for Underground Pressure [收稿日期] 2007 - 09 - 18 [作者简介]汤建泉1970 - ,男,湖北武汉人,工程师。 矿山压力现场观测研究法是直接面对生产现场 对矿压显现的宏观现象进行观测和记录,同时利用 各种仪表、工具观测采场围岩变形、位移、顶底板 破坏、支架受载及压缩等。然后从动态分析研究中 得出对采场矿压显现有明显影响的岩层运动的条 件、时间和方向以及采场周围支承压力的分布变化 状况,为解决现场矿压控制问题,例如,工作面顶 底板状态、来压 “ 预测预报 ” 、支护设计和支架选 型,巷道位置选择,开采程序安排等提供依据。 由于现场观测获得的资料反映的是多种因素综 合作用下动压与支护间的互动作用,故利用这种资 料论证分析问题较为可靠,收效显著,越来越为生 产现场认可和采用。此外,这种模式有利于工程技 术管理人员直接接触和参与矿压研究工作。 1 现场矿压观测研究的目的和内容 111 现场矿压观测研究的目的 1了解各特定开采方式下的采场上覆岩层 运动范围、条件和时间,加强工作面顶板控制。其 中包括了解工作面顶底板状况破碎、离层、 局部冒落等 ; 进行工作面来压预测预报;了解采 场矿压控制对象的范围,工作面支柱实际支撑能 力,支柱支架对顶板的相互作用及合理支护强度 密度的确定;实行顶板科学管理,掌握好支架 在峰压值来临之前的及时推移前进,实现安全高效 生产;支架运行工况的可靠性,发现和了解支架密 封性能、漏串液、倾斜、空顶等隐患的存在;了解 锚网索对采空区顶板垮落的影响情况。 2预测采场巷道在开采动压作用下顶底板 和内外帮变形位移规律,进行合理的巷道矿压控制 和支护设计。其中包括开采动压峰值诱发顶板锚 杆索载荷分布变化规律,以及锚网索构成的组合拱 在经受动压作用后而发生的动压反应,使拱的作用 逐渐变弱,甚至转变为悬吊梁变化过程的现象、规 律相关参数 ; 峰值动压对底板的作用与传播规 律及有关参数;在搞清支承压力分布变化规律的基 础上,为合理的进行工作面超前维护,确定巷道开 掘位置和时间,护巷煤柱尺寸的留设及开采程序等 控制设计提供依据;工作面开采动压的动力影响范 围,如工作面距离与顶板沉降离层之间的关系 函数关系 ; 了解由掘进引起的围岩松动深度 范围及特征。 112 现场矿压观测研究的手段和内容 现场矿压观测的主要目的是了解由采动动力引 起的采场上覆岩层运动所导致的矿压现象,其观测 手段应包括除了人的经验视觉观测外,主要利用先 进的矿压测试仪表进行观测。 仪器观测能够对矿压现象进行定量的描述,从 而更深刻直接地揭示和记录矿压现象的规律。矿压 仪器主要包括监测位移、变形和监测压力两大类。 监测过程是在采场推进状态下获得的矿压显现参 数,依据这些参数,作为分析研究问题的基础随 采场推进超前巷道不同位置处的顶底板相对移近量 和移近速度,以及距工作面距离L与矿压显现参数 之间的位置关系或函数关系;工作面顶板下沉量、 下沉速度与工作面距离L之间的关系;支架支柱荷 载量与顶板周期来压之间关系,以及与采空区顶板 垮落之间的关系。 17 第13卷 第1期总第80期 2008年2月 煤 矿 开 采 CoalMining Technology Vo1113 No11 SeriesNo1 80 February 2008 2 现场矿压观测研究工作的组织 211 测前准备 1制定观测计划在熟悉和了解工作面地 质资料和生产技术条件的基础上,分析预计观测工 作中可能遇到的问题,制定具体的观测计划,做好 监测仪表的使用安装与记录的准备工作,包括观测 目的、内容和方法、观测要求、测区布置、工具和 操作、人员配备和组织领导等。 2人员培训建立矿压观测组。观测组一 般应由1～2名采煤技术人员负责,测工3～5人为 宜。测工应经过适当的培训教育,学习矿压理论知 识和矿压观测方法;明确矿压观测的目的、任务及 观测的要求;熟悉仪器的构造、性能、工作原理和 安装方法,能正确地操作使用、读数和迅速排除故 障。 3常用矿压测试仪器、仪表如表1。 4常用数据分析处理软件如表2。 表1 矿压观测常用测试仪 仪器名称用 途 顶板离层仪 监测顶板、围岩岩层分离时所产生位移量的专业监测仪器,主要适用于采用锚杆支护的巷道顶板以及 需测量顶板、围岩位移量的工作面。 测力锚杆配二次仪表监测井下巷道围岩、工作煤体内部应力变化,分析岩体、煤体内部应力作用的有效检测手段。 多点位移计 检测顶板岩层分离时所发生位移量的专用仪器,主要适用于采用锚杆、锚索支护的巷道顶板以及需测 量顶板位移的工作面。 单体支柱压力检测仪压力盒单体液压支柱维修后的性能检测,井下支柱、棚架等各种压力检测。 液压支架测力仪 YHY260型液压支架测力仪用于检测支架、单体支柱的工作阻力,实时检测并显示当前压力,是替代 机械式液压表的理想产品。 矿用手持采集器井下红外采集液压支架测力仪的数据,并带至地面传给上位机进行处理。 顶底板比压仪测量巷道、工作面底板抗拉强度。 顶板动态测量仪 检测岩层位移变化情况,测量巷道、工作面内受采动影响发生的顶底板移近量、移近速度,进行采场 来压预报、检测支撑压力高峰位置等。 锚杆索应力测力计监测锚杆、锚索外端受力拉张力情况,对支护质量进行监控。 快速锚杆拉力计测定锚杆锚固力,体积小、重量轻、携带方便,操作简单、安全。 锚杆索全程测力 自动记录仪 与测力锚杆索配套使用,连续记录、存储岩层不同应力变化,计算机数据分析,曲线、报表输 出、打印等。 表2 矿压观测常用分析软件 软件名称用 途 矿压观测数据处理系统 处理由红外采集器采集到的YHY260型测力仪存储一段时间内支架、支柱的工作阻力,红外采 集器直接通过232接口与计算机通讯。 顶板离层数据处理系统绘制顶板离层动态变化曲线,分析上覆岩层离层运动情况。 顶底板移近量数据处理系统绘制顶底板移近量动态变化曲线,分析上覆岩层运动、来压情况。 综采支架压力检测数据管理系统支架工况监测;压力分布直方图;支架受力分析、曲线报表输出。 212 现场观测 一般情况下采面矿压观测有长期连续性观测和 专题研究性观测。长期连续性观测是从开切眼起, 对工作面矿压显现进行连续观测,期间要经历初次 来压和周期来压。长期连续性观测一般用于对采场 上覆岩层运动和矿压显现规律的全面了解或顶板来 压对安全生产的威胁,而必须坚持来压预测预报。 专题矿压观测往往是为了查明影响工作面矿压显现 的因素或研究某个单项问题,往往需进行专题观 测。如采用新的采煤方法、新水平的首采工作面 等,要搞清工作面推进速度对工作面矿压显现的影 响;割煤、回柱移架对顶底板移近速度的影响;了 解采场支架柱的实际工作状况如支架柱的 工作阻力、初撑力以及支架柱的自身液压系统情 况 , 支架失稳及顶板破碎,台阶下沉以及冒落的 原因或进行采场来压 “ 预测预报 ”等。 213 观测成果的应用 矿压观测的过程也就是成果应用的过程。在矿 压观测过程中,要及时整理资料并进行分析研究, 总结矿压显现的变化规律,及时向有关部门如 调度室、总工程师、工区等提供 “ 信息 ”,要建 立矿压检测资料简报编写制度,使矿压观测成果及 时转化为生产力,为安全生产提供支持与保障。 3 矿压观测方案 综采面一般需要进行以下几方面的矿压观测 工作面矿压显现参数支架柱阻力、来压步 距、强度 ; 巷道超前支承压力;巷道顶板离层观 测;巷道两帮变形量与顶底板移近量;巷道锚杆受 力状况监测。下面以综采面为例说明矿压观测的一 27 总第80期煤 矿 开 采2008年第1期 般方案。 某工作面煤层倾角为13～23,平均倾角18, 主采3煤,条带状,块状结构,参差状断口,性脆 易碎,内生裂隙较发育。煤层厚度615～813m,平 均厚715m,属稳定的厚煤层。硬度系数f 115, 属于中硬煤层。煤层顶底板情况见表3。 表3 煤层顶底板特征 顶底板岩石名称厚度 基本顶中细砂岩11m 直接顶粉砂岩、泥岩110～517m 直接底泥岩、粉砂岩013～113m 老底中细砂岩5m 311 测区布置 根据实际需要,现在回采工作面及运输巷共布 置5类矿压测区,测区布置图如图1。 图1 综采面矿压观测测区布置 1工作面支架工作阻力测区Ⅰ 分别在 工作面两端头和中部设3个测区,支架上安装红外 传输压力监测记录仪。为了提高综采支架工作阻力 监测自动化程度,采用山东科技大学中天电子有限 公司生产的已有成熟的技术和产品YHY260型液压 支架测力仪及相应的计算机监测系统,硬件部分主 要包括监测主机、压力分站、 采集器、通讯适配器 等组成。系统可对支架阻力进行连续监测及数据存 贮,通过红外通讯适配器将数据传送到计算机,实 现对支架工作阻力的自动整理和分析,形成工作面 压力图表。 2工作面巷道超前支承压力测区Ⅱ 对 轨道巷超前支护支柱,采用红外传输YHY260B型 液压支柱测力仪,检测单体支柱工作阻力。超前工 作面35m, 70m, 105m处支柱安设3台仪器,该3 台仪器安装在中间两路的单体支柱上。 3巷道顶板离层观测区Ⅲ 在工作面轨 道巷超前工作面35m, 70m, 105m处设3个观测 站,分别在顶板安装顶板离层指示仪,检测顶板离 层量。 4巷道两帮变形量与顶底板移近量观测区 Ⅳ 在工作面轨道巷内布置2个巷道表面位移 测站,监测工作面前方70m, 105m处受超前采动 压力影响时巷道的变形破坏特征,为工作面超前支 护及煤巷锚杆设计提供依据。采用十字布点法观 测,安装测力计和顶板动态仪。 5巷道锚杆受力状况监测区Ⅴ 在工作 面轨道巷超前工作面70m, 105m处设巷道锚杆受 力状况监测区,在巷道顶板锚杆和两帮锚杆上都安 装锚杆测力计,实施检测锚杆受力状况及变化规 律。 312 数据采集、处理和分析 31211 数据采集、处理 1液压支架工作阻力 采用手持式红外数 据采集器采集数据,之后将数据传送到计算机中, 通过相应的软件自动处理后,计算机自动输出工作 面支架工作阻力变化图表。 2工作面超前支承压力 采用红外传输 YHY260B型液压支柱测力仪,检测支柱支撑压力, 采用手持式红外数据采集器采集数据,之后将数据 传送到计算机中,通过相应的软件自动处理后,计 算机自动输出工作面支架工作阻力变化图表。了解 工作面超前支承压力的变化规律。如果不使用 YHY260B型液压支柱测力仪,则需要手工将观测 数据记入表4中,然后再进行处理。 3巷道顶板离层观测 采用在顶板安装顶 板离层指示仪检测顶板离层量及其变化,每日读取 一次数据,从而分析顶板离层变化情况。如果使用 顶板离层数据处理系统,则需要将数据直接输入计 算机中,系统将自动处理数据并绘制顶板离层位移 曲线图。 4巷道两帮变形量与顶底板移近量观测 使用顶板动态仪进行观测,使用顶底板移近量数据 处理系统,则需要将数据直接输入计算机中,系统 将自动处理数据并绘制移近量曲线图。 31212 数据分析 通过此工作面开采过程中进行常规的矿压监 测,包括支架工作阻力、顶板冒落特征、巷道表面 37 汤建泉等现场矿压观测方案设计2008年第1期 位移观测等,得到了工作面顶板运动规律及矿压显 现特点,对支架适应性进行评价。 1需控岩层范围 直接顶厚10125m,主要 由粉砂岩和细砂岩组成;基本顶由1个岩梁构成, 岩层厚12198m,由坚硬的中砂岩组成。 2顶板运动规律 在工作面煤岩赋存条件 下,直接顶初垮步距为16m,基本顶初次来压步距 3012m,周期来压步距平均为1912m;由工作面上 部至下部来压步距基本依次减小;工作面各部位来 压不同步,上部来压较晚,下部较早,存在明显的 分段初次来压现象;对采场顶板进行了分类,工作 面顶板属中等稳定顶板,基本顶为 Ⅱ级,来压明 显;采高对顶板沿厚度方向的组成也有一定影响, 采高加大后,直接顶冒落厚度加大,基本顶处于更 高的层位上。由于直接顶垮落后形成的厚松散垫层 的作用,基本顶运动对工作面矿压显现影响程度减 轻,这可从支架阻力分布规律上明显的 “ 感觉 ” 出来。 3支架阻力分布及运行特征 通过对支架 前后柱、整架阻力频率分布规律分析,支架与顶板 适应性并不理想。后柱阻力偏低,经常出现后柱不 受力,这对顶板控制是十分不利的,其原因是多方 面的有顶煤的力学性质,支架架型、操作及管理 等多方面的原因。研究发现,前柱支架阻力总体上 呈近似的正态分布,初撑力在20～30MPa之间占 5813 ,大于额定初撑力的占214 ,支架初撑力 稍偏低。工作阻力在20～35MPa之间的占7315 , 35MPa以上只有215。但后柱支撑力偏低,并且 不均匀,前后阻力相差较大。 据实测资料统计分析,现行支架工作阻力为 6200kN能满足生产需要。 4巷道超前压力显现规律 对工作面胶运 巷进行了表面位移观测,巷道总体变形量小,两帮 变形量大于顶底板变形量;巷道在25m处已经受 到采动影响,但在15m以外采动影响的程度很小, 显著影响范围在10m左右,巷道压力峰值在4～ 5m处,因此工作面超前30m加强支护是合理的。 4 矿压技术管理总结 矿压观测工作通常是在一个阶段或时期内完成 的,因此矿压观测工作结束后应及时写出矿压技术 管理总结报告,报告形式可详、可简,对于日常进 行的矿压观测工作,在全面分析观测资料的基础 上,简明扼要地列出存在的问题及几条结论和改进 建议就可以,也可以以季度为时间单位,以工作简 报为写作形式提交总结报告。矿压观测报告需要包 括以下几部分内容观测的内容、目的和方法;测 区地质和生产技术条件;测区布置;观测结果分 析;结论和建议。矿压观测与研究报告的写作形式 是多样的,详与简的形式取决于写出的总结观测研 究报告的用途,但要体现出问题、结论、建议。 矿压观测报告要有严密的科学性和明确的针对 性,同时对新发现的问题可以进行大胆探讨,阐明 自己的见解和学术观点。所谓科学性,就是对所获 得的全部观测数据用概率论和数理统计的方法进行 处理,不得随意取舍或按错误的方法整理分析。所 谓针对性,就是要根据本次观测的具体内容、目的 和所使用的仪器,对取得的成果进行实事求是地总 结,得出本工作面或巷道所特有的矿压特征和顶板 控制方法及改善途径。 5 结束语 矿压观测技术在煤炭生产中具有重要的作用。 对采煤工作面和井巷进行矿压观测,根据岩层性 质、顶板压力、顶板下沉量和下沉速度、放顶步 距、周期来压等数据,逐步摸清本矿区的矿压规 律,制定本矿区的顶板分类标准,为采区设计、巷 道布置、设备选型、支护设计、顶板控制提供依 据。 利用现代电子技术和产品进行矿压观测,可以 及时准确地收集到需要的数据,同时应用计算机软 件进行相应的数据处理,能极大地提高工作效率和 分析结果的准确性。因此,应该在大力推广矿压观 测的同时,也要推广现代矿压检测技术,促进煤炭 生产的安全高效。 [参考文献] [1 ]钱鸣高,石平五 1矿山压力与岩层控制[M ]1徐州中国矿 业大学出版社, 20031 [2 ]蒋福兴,等 1矿压控制设计[M ]1徐州中国矿业大学出版 社, 19961 [3 ]宋振骐 1实用矿山压力控制[M ]1徐州中国矿业大学出版 社, 19881[责任编辑邹正立] 推 动 科 学 发 展 促 进 社 会 和 谐 47 总第80期煤 矿 开 采2008年第1期