斜沟矿首采工作面矿压规律研究.pdf

第 8期 2 0 0 6 年 8月 山 西 焦 煤 科 技 S h a n x i Co k i n g Co a l S c i e n c e＆ Te c h n o l o g y No ． 8 Au g． 2 006 考察调研 斜沟矿首采工作面矿压规律研究 任 建峰 ① 西山晋 兴能源公 司斜沟矿 摘要通 过 多种 矿压 观 测手段 对 斜 沟矿 8 煤层 首 采工作 面液 压 支 架 支护 阻力 、工作 面两巷 走向及倾向支撑压力分布进行了 监测， 对顶被的冒落 运动规律、 煤体内 应力的分布规律、支架 阻 力 变化及适应性进行 了研 究分析， 为兴县矿 区今后 的综采 工作面支架选型和回采采场围岩控制提供 了理 论 依 据 。 关键词 围岩控制； 支护阻力 ； 矿压规律 ； 研 究 山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟矿首采工 作面一1 8 1 0 3工作面是兴县矿区的第 一个综采工作 面。 该工作面采用走 向长壁采煤方法， 全部垮落法管 理顶板 ， 工作面走向长度 2 1 6 0 1 T I ， 倾向长度 2 2 0 m， 煤层厚度平均 4 ． 5 m， 一次采全高 ， 可采储量约 3 0 0 万 t 。工作 面标 高 8 9 2 ～9 4 2 1 T I ， 地 面标 高 1 0 2 0 ～ 1 1 3 8 I T I ， 盖山厚度 1 2 6 2 0 6 m、 平均 1 6 6 1T I ， 该面整 体为一单斜构造 ， 南北走向， 倾 向西， 煤层倾角 5 。 ～ 1 0 ． 5 。 、 平均 8 。 。 老顶为砂岩， 厚度 1 0 ． 3 0 “ - - “ 1 8 ． 9 6 m， 中厚层状， 底部易离层， 裂隙发育， 局部胶结差； 直接 顶为砂质泥岩 ， 厚度为 0 ～1 ． 3 5 r n 、 平均 0 ． 6 7 1T I ， 厚 度变化较大， 局部尖灭 ， 破碎易冒落。煤层顶板普氏 系数为 5 ． 3 。 工作 面配备 了 MGTY5 O 0 ／ 1 2 O 0 ／ 3 ． 3 D型 电牵 引 采 煤 机， Z Y7 6 0 0 ／ 2 3 ／ 4 7型 掩 护 式 液 压 支 架 ， S GZ 9 0 0 ／ 1 0 5 0型刮板输送机和 S S J J X1 2 0 0 ／ 3 x 2 5 0 胶带输送机。 由于该工作面是兴县矿区 8 煤层 的第一个综 采工作面 ， 没有任何矿压资料可供借鉴。 西山晋兴能 源公司斜沟矿与天地科技股份 有限责任公司合作 ， 研究兴县矿区矿压规律 ， 为今后 大规模开发兴县矿 区在矿压管理方面奠定基础。 1 矿 压观测 方 法 1 ． 1 工作 面液压 支架 支护 阻力监 测 1 测点布置 。在工作面的上中下位置共设置 3 个测点 ， 如 图 1 所 示 ， 在每个测点 支架上安设 1台 C Dw～6 0 R型支架压力记录仪 ， 其测量孔 与支架立 柱下腔相连接。 l 0 工 作 2 。 面 3 0 1 、2 、3⋯ 工作面支架支护 阻力监测测站 ▲4 ．S 、7⋯ ‘ 工作面走向和侧向支承压力分布监测测站 - 6 ⋯ ⋯ ⋯ 项板深基点位移监测测 站 材料顺槽 图 1测 站 位 置 总 图 2 监测方法 。支架压力记录仪为 自动测量仪 器 ， 仪器每 1 S测量一次支架立柱的受力 ， 并把压力 数据和发生时间储存下来 ， 观测人员每隔 3 ～7天用 C D w ～6 0 C型支架压力无线 采集仪把记录仪 中的 数据采集升井 。 升井后用专用软件对数据进行分析 ， 得 出压力一时间曲线和压力 一进尺曲线及其它数据 和曲线 。 3 观测周期 。 工作面液压支架支护阻力观测直 至监测到工作面来压 4 - - ． 5次为止 。 1 ． 2工作面两巷走 向与倾向支撑压力分布监测 1 测量仪器与测量原理 。 测量仪器为 KS E 一 Ⅱ 一 I型钻孔应力计与 KS E一 Ⅲ型钢弦测力仪 。KS E 一 Ⅱ～1型钻孔应 力计 为应力测量 传感 器 ， 把钻孔 ① 作者简介 任 建峰男 1 9 6 6年出生 1 9 9 8年 毕业 于山西矿业学 院工 程师太原0 3 0 0 5 3 维普资讯 山 西 焦 煤 科 技 2 0 0 6 年第 8 期 应力计置于煤岩体中可测量出测点周边煤岩体的应 力相对变化 ； KS E一 Ⅲ型钢弦测力仪为钻孔应力计 的主机 ， 与传感器相连构成一个测量系统 。 钢弦测力 仪 记 录装 置 对 与其 相连 的 8个 传感器 每 隔 3 O rai n巡检一次， 把压力数据和发生时间储存下来 。 监测方法为每 5 ～7天使用钢弦测力仪 采集装 置 采集一次数据 ， 在观测周期内需要收集每天每班 的工作面两端头精确进尺 。 测点布置 在运输顺槽设 1个测站 、 布置测点 8 个 ， 在材料顺槽设 2 个测站、 各布置测点 4个。钻孔 位置均从距工作面 1 5 0 r n起每隔 1 5 r n布置 1个测 点 ， 钻孔深度从 4 r n到 1 5 r n等量递增水平布置 。 2 工作面顶板深基点位移测量 。 在材料顺槽内 图 1所示 6号点处 向工作面方向打钻孔 ， 与顶板 成一定角度。 在每个钻孔 内设爪锚 2个 ， 一个安装在 孔底作为测点 ， 一个安装在孔 口作为基点 ， 两个爪锚 系上钢丝绳引出孔外 。 测点随顶板的移动而移动， 而 基点相对保持稳定 ， 通过测量测点与基点之间的相 对位移得 出不 同层位的顶板随采动影响 的运移情 况 。 测量方法 在钢丝绳 的引出端做出标志点 ， 用钢 卷尺测量两标志点间的距离。当测点距工作面距离 在 3 0 m 之外时每 3天测量一次 ， 当测点距工作面距 离在 3 O m～1 5 m 时每天测量一次 ， 当测点距工作 面距离在 1 5 m 以内时每割一刀煤测量一次 。并记 录相应测量时测点与工作面距离。 2 矿压 观测 结果 与分析 2 ． 1顶板 的 冒落运动规 律 1 工作面顶板的初次垮落 。 1 8 1 0 3 工作面 2 0 0 5 年 7 月上旬投入试生产 ， 由于设备初次投入使用 ， 投 产初期工作面推进速度比较缓慢 。当工作面推进至 7 r n左右时， 直接顶开始垮落 ， 之后随采随 冒， 冒落 充分 。 在直接顶垮落过程中基本无动压冲击现象 ， 矿 压显现缓和。当工作面推进距切眼 4 1 ． 2 r n左右时 老顶初次垮落。 2 回采过程中的顶板运动规律。1 8 1 0 3工作面 正常推进过程中顶板 内的深基点 的位移 曲线见 图 2 ， 曲线 1为距煤层顶板 以上 7 ． 5 r n处的顶煤基点位 移 曲线 ； 曲线 2为距煤层顶板 以上 2 ． 5 r n处的顶板 基点位移曲线。 a 顶煤及顶板的运动过程 。 由下层顶板基点位 移曲线 见 图 2中曲线 1 可以看 出， 顶板在工作面 前方 1 1 ． 5 r n处开始有位移产生 ， 随着工作面的推 进 ， 位移逐渐增大 ， 并近似呈线性增加 ； 当顶板位于 工作面后方 1 ～2 r n范围 内时位移速度增 大， 位移 增长梯度为 2 5 ． 2 mm／ m； 在工作面后方 2 ～3 r n范 围内位移增长速度稍微减弱 ， 位移增长梯度为 1 3 ． 0 mm／ m； 到工作面后方 4 ． 5 r n的位置时， 位移增长变 得迅速 ， 增长梯度增至 5 8 ． 3 mm／ m。在工作面后方 5 ． 6 r n处位移累计值达 1 5 0 mm。 由上层顶板基点位移曲线 见图 2中曲线 2 可 以看出， 顶板在工作面前方 1 3 r n处开始产生位移， 之后位移近似线性地增加 ， 到工作面前方 0 ． 4 r n处 时 ， 顶板累计位移为 2 0 mm； 当到达工作面前方 0 ． 3 r n处时工作面顶板开始剧烈运动， 在相对于工作 面 煤壁 0 ． 3 ～一2 r n范围处顶板位移增长梯度为 7 O ． 8 mm／ m； 之后位移持续增加 ， 但增长梯度有所减弱 ， 到达工作面后 方 5 ． 6 r n处时测点 位移 累计达 2 5 3 量⋯ l _ 距煤层顶板2 5 m 2 距煤层顶板7 ．5 m - ‘ 图 2 工作 面顶板深基点位移 曲线 在工作面前方 0 ． 3 3 r n处 ， 下层顶 板基点位移 曲线与上层顶板基点位移 曲线交汇于一点 ， 此时二 者的位移值约为 2 0 mm， 此后上层顶板的位移量超 过了下层的位移量 ， 说明支架上方顶板存在 向采空 区侧弯曲旋转 。 b 在 回采过程 中顶板 的运 动规律 。在煤壁前 方， 顶板位移的产生证明了在开采过程中， 在上方顶 板压力的作用下， 煤体内产生 了垂直张开的裂隙 ， 裂 隙的不断发育使得煤体产生垂直压缩 ， 顶板运动表 现为垂直位移， 这样上层顶板基点 的位移就因顶板 的压缩量小于下层顶板 基点的位移而位移。 维普资讯 2 0 0 6年第 8期 任建峰 斜沟矿 首采工作面矿压规律研 究 在煤壁前 方 0 ． 3 m 至煤壁后 方 2 ． 0 m 范围内， 上层顶板的位移速度快速增 加， 明显大于下层顶板 的位移速度， 累计位移量也明显大于下层顶板 ， 这说 明在这段范围内煤体岩体的断裂及其内部的裂隙扩 张程度加剧 。 由于支架后 方顶板已开始垮落 ， 这为支 架上方煤岩体的弯曲旋转提供 了空间， 而上层顶板 的这种旋转又导致了下层顶板内裂隙的扩张和进一 步断裂 。此时上层顶板的旋转与下层顶板内裂隙的 扩张综合表现为上位岩体 的累计位移量及位移速度 明显大于下位的岩体 。 在煤壁后方 2 ． 0 m 以后 直到煤岩体完全垮落 的范围内， 顶板位移量不断增加， 且上层顶板基点位 移仍大于下层顶板内基点。这表明随着顶板在支架 的反复支撑作用下 ， 不断产生破坏与变形 ， 且支架上 方煤岩体的弯曲旋转作用仍然存在。 在 日常观测中可 以发现 ， 在切顶线附近， 直接顶 基本上能够及时垮落 ， 并随移架塌落在支架的掩护 梁上 ， 垮落岩石的块度与顶板来压有关 ， 来压期间垮 落岩石的块度相对小于非来压期间垮落的块度 。 2 ． 2 煤 体 内应 力的分 布 侧 向支撑压 力及 工作 面 超前 支撑 压力 观测 。 2 0 0 5年 7月 l 7日至 2 0 0 5年 9月 2日期间 ， 在工作 面材料顺槽与运输顺槽进行压力观测 两巷两侧均 为 未采 煤 体 ， 在材 料顺 槽 两侧 分 别 布置 了 4台 KS E一 Ⅱ一I型钻孔应力计 ， 在运输顺槽实体煤侧 布置 了 8台 KS E一 Ⅱ一1型钻孔应力计 。观测期间 内工作面推进 了 8 2 ． 4 m。 2 ． 3 支架 阻力 变化及 适 应性 分析 1 顶板周期来压显现 。 以支架的时间加权阻力 与其均方差之和作为判断顶板周期 来压的主要指 标， 并参考支架每天 的最大阻力 ， 自 2 0 0 5 年 7月 1 9 日至 2 0 0 5年 8月 3 0日， 工作面推进 了 8 1 ． 6 m， 期 间共发 生 了 5次周期 来压 ， 平均 周期 来压 步距为 9 ． 5 8 m。周 期 来 压 期 间， 支 架 平 均 工 作 阻 力 为 2 O ． 9 0 MP a ， 而 非 来 压期 间 支架 平 均工 作 阻 力 为 9 ． 1 7 MP a ， 相应动载系数为 2 ． 7 。 2 支架阻力特征。 a 支架阻力利用率 。在统计的数据 中， 支架平 均初撑力为 l 1 ． 6 5 MP a ， 占其定额的 3 3 ． 8 9 ／ 6 ， 可见 支架的初撑力偏低。 在初次来压以后 ， 支架 的平均工 作阻力为 1 8 ． 1 6 MP a ， 占支架额定工作阻力 4 0 MP a 的 4 5 ． 4 9 ／ 5 ， 支架阻力的利用率较低 。 l O 2 O 3 O 4 O 5 O 6 O 7 O 8 O 9 O 距工作面距离， m 图 3 l 1 7 支架支护 阻力 分布 图 由表 1可以看出， 顶板来压期间支架 阻力利用 率明显提高 ， 由平时 的 2 2 ． 9 9 ／ 5 提高到了 5 2 ． 3 9 ／ 5 。 表 1 支架 阻力及其利用率 初撑力 MP a 时间加 权阻力 MP a 平均 额定 占额定 平 均 额定 占额定 阻力 值 值 比例 阻力 值 值 比例 周期来压 1 1 ． 6 5 3 5 33 ． 8 20 ． 9 0 4 0 5 2 ． 3 期间最大 非周期来压 9 ． 1 6 4 0 2 2 ． 9 期间最小 平均值 1 1 ． 6 5 3 5 3 3 ． 8 1 8 ． 1 6 4 0 4 5 ． 4 表 2 支 架阻力分布统计 ＼ ＼ 考 初撑力 循环末阻力 最大阻力 ＼ 薪 频 数 百 分 频 数 百 分 频 数 百 分 区 ＼ 个 比 个 比 比 间 ＼ 0 ～ 5 2 2 2 5 ． 5 8 2 2 ． 3 3 O O 5～ 1 0 2 0 2 3 ． 26 2 2 ． 3 3 1 2 ． 27 1 O ～ 1 5 1 6 1 8 ． 6 0 6 6 ． 9 8 3 6 ． 8 2 1 5 ～ 2 0 1 2 1 3 ． 9 5 20 2 3 ． 2 6 6 1 3 ． 6 4 2 O ～ 2 5 i 4 1 6． 2 8 2 0 2 3 ． 2 6 1 8 4 0． 9 1 2 5 ～ 3 0 2 2 ． 3 3 24 2 7 ． 9 1 9 2 0 ． 4 5 3 O ～ 3 5 O O 1 O 1 1 ． 6 3 3 6 ． 8 2 3 0 O O 2 2 ． 3 3 4 9 ． O 9 b 支架阻力分布。表 2为 2 0 0 5年 8月 1 3日～ O 5 O 5 O 5 善 霸 ， 维普资讯 2 6 山 西 焦 煤 科 技 2 0 0 6年第 8 期 2 0 0 5年 8月 2 8日期间统计 的每天支架初撑力平均 值 、 循环末阻力和一天内最大阻力 7月 1 9日N8月 3 0日 的分布结果。 由表 2 可 以看出， 支架 的循 环末 阻力与最大阻 力分布 比较集 中 支架循环末阻力在 1 5 ～3 0 MP a 之间 的占统计总数 的 7 4 ． 4 3 9 ／ 6 ， 最大阻力在 2 O ～3 0 MP a之间的占统计总数的 6 1 ． 3 6 。在统计的数据 中， 支架的最大阻力没有出现超过支架额定载荷 的 情况 ， 这说明测点支架安全阀的使用情况 良好 。 Re s e a r c h o n Re g ul a r i t y o f 3结 论 通过本次矿压观测 ， 对大采高综采支架性能进 行 了评价， 为斜沟矿及兴县矿区以后 的综采工作 面 支架选型和设计提供 了依据； 为确定工作面合理 的 超前支护距离提供了理论依据 ； 为确定动压条件下 巷道支护方法并确定合理支护参 数提供 了依据 ； 为 综采工作面的顶板管理提供 了理论基础 。但值得注 意 的是 ， 这 只是对矿区规律的初步研究 ， 今后还有待 进一步的研究和分析。 收稿日 期 2 0 0 6 -- 0 6 --1 8 M i ne Pr e s s u r e i n Fi r s t M i ni ng Fa c e i n Xi e g o u Co a l M i n e Re n J i a n f e n g Ab s t r a c t Th r o u g h v a r i o u s k i n d s me a n s o f mi n e p r e s s u r e o b s e r v a t i o n c a r r y s 0 n mo n i t o r i n g t o s u p p o r t r e s i s t a n c e ， a l i g n me n t o f f a c e t wo t u n n e l s a n d d i s t r i b u t i o n o f t e n d e n c y o f s u p p o r t i n g p r e s s u r e i n f i r s t f a c e o f 8 s e a m i n Xi e g o u c o a l mi n e ， r e s e a r c h e s a n d a n a l y s e s mo v e me n t r e g u l a r i t y o f b e l c h f a l l t o r o o f ． d i s t r i b u t i o n r e g u l a r i t y o f s t r e s s i n s i d e t h e wh o l e c o a l ， c h a n g e o f s u p p o r t r e s i s t a n c e a n d a d a p r a b i l i t y， o f f e r s t h e o r y b a s i s f o r c h o o s i n g s u p p o r t t y p e i n s y s t e m me c h a n i z a t i o n c o a l f a c e a n d c o n t r o l l i n g wa l l r o c k o f mi n i n g c o a l f i e l d t o wa r d Xi n g c o u n t y f o r t h e f u t u r e ． Ke y wo r d s W a l l r oc k c o nt r ol ； Sup po r t r e s i s t a nc e； M i ne pr e s s u r e r e g ul a r i t y； Re s e a r c h 上接 第 5页 情况数据， 也可 以及时显示瓦斯报警 煤矿等一系列直观监测图样 。 2年多的应用实践表明 在技术手段上 ， 将信息 技术应用到煤矿瓦斯监管是切实可行 的； 在管理方 式上 ， 由县、 市两级 通过网络直 接监管煤矿瓦斯状 况， 对减少瓦斯事故发生是有效的 ； 在煤炭行业走新 型工业化道路上 ， 加快利用现代信息 技术改造 传统 煤炭产业 ， 推进煤炭信息化进程 ， 提高企业核心竞争 力 ， 具有广阔的发展前景。 收稿 E l 期2 0 0 6 0 5 2 9 B u i l d i n g a n d Ap p l y i n g o f C o a l Mi n e Ga s Mo n i t o r C o n t r o l Co m p ut e r Ne t wo r k i n S ha nx i W a ng Yu na i Ab s t r a c t P r o v i n c i a l g o v e r n me n t i n S h a n x i h a s i mp l e me n t e d g a s mo n i t o r＆c o n t r o l c o mp u t e r n e t wo r k e n g i n e e r i n g i n t h e c o a l mi n e s i n c e J u n e ，2 0 0 3 ．At p r e s e n t 9 0 9 ／ 5 o f mi n e s h a v e i n s t a l l e d g a s mo n i t 0 r e q ui pme n t，a nd 1 5 0 0 mi n e s h a v e a t t a i ne d 4一 l e v e l ne t wo r k ma n a ge m e nt ．Fr o m t h e v i e w o f t e c h n o l o g y． t h i s p a p e r ma i n l y e x p o u n a s t h e n e t wo r k ’ s c o n s t r u c t i o n c o n t e n t s ，a r c h i t e c t u r e ，f u n c t i o n s ，t e c h n o l o g i c a l f e a t u r e s a s we l l a s a p p l i c a t i o n s ． Ke y wo r d s Ga s ；Mo n i t o r ； Ne t wo r k； Bu i l d i n g； Ap p l i c a t i o n 维普资讯