莒山煤矿复采工作面矿压显现规律与控制技术研究.pdf

2 0 0 6 年6 月 矿 业安 全 与环 保 第3 3 卷增刊 莒 山煤矿复采工作面矿压显现规律 与控制技术研 究 张仙 保 山西兰花 集团 莒山煤矿有 限公 司，山西 晋城 0 4 8 0 0 2 摘 要 根据莒山煤矿在刀柱式老 采 区残 留煤体 采用综采工艺进行 回收资源的具体条件，对长壁 复采工作面 F 3 1 0 1矿压显现进行全面观测和分析研究， 初步掌握 了矿压 显现规律， 合理进行综采工作面 的布置和采取控制技术措施预 防冲击矿压， 安全顺利实现长壁综采回收残 留煤炭资源。 关键词 刀柱式老采 区残留煤体 ；复采 ；长壁综采 ； 矿压显现； 控制技术 中图分类号 T D 3 2 3 文献标识码 C 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 o 6 S 1 0 o 2 6 0 3 山西兰花集团莒山煤矿有限公司是国有地方煤 矿 ， 属低 瓦斯 矿井。 自 1 9 5 9年建成投 产以来 ， 主要 开采 3 煤层。1 9 7 2年 至 1 9 8 6年 6月采用长壁 刀柱 式采煤法 ， 开采 了 3 煤层上部 厚度 3 ． 0 m左右 ， 而煤层下部 厚度 3 m左 右 作为弃滞资 源被注销 。 采动面积 1 3 4 ． 6万 I I l 2 ， 动 用储量 1 1 7 1万 t 。随着科 学技术水平的发展 ， 可以推广 3 煤层下部弃滞资源 复采工作， 最大限度地提高资源回收率 ， 延长矿井服 务年限。 复采工作的采 区布置于 2 0 0 3年 5月开始 ， 2 0 0 5 年 5月第一个 长壁复采工作面 F 3 1 0 1试 生产， 该期 间对综采工作 面的矿压显现进行 了全面的观察、 实 测和分析研究 。 1 工作面地质及 生产技 术条件 1 ． 1 地质概 况 3 煤层在本区域属厚度稳定可采煤层 ， 煤层结 构简单 ， 硬度系数 ， ≤3 。煤层直接顶板为厚度5 ． 6 7 ． 2 m的砂质 泥岩、 细砂岩构 成 ， 基 本顶 板 为厚度 1 4 ． 1 1 8 ． 2 m的中砂岩组成 ； 底 板为泥岩 、 砂质 泥 岩、 细砂岩。根据对 F 3 1 0 1复采工作面的掘巷探测 上分层直接顶 大部分 冒落 ； 多数刀柱 之间煤 柱尺寸 不同 ， 宽度小于3 n l 时完整性受到破坏 ， 宽度大于3 n l 收稿 日期 2 0 0 6 0 4 1 0 作者简 介 张仙 保 1 9 6 3 一 ， 男 ， 山西永 济人， 工 程师， 总 经理 ， 长期从事采矿 工程技 术管理 工作。 2 6 时 ， 局部被压酥 ， 具有一定完整性和支撑能力。 考虑长壁刀柱工作面开采时遗 留煤柱对其下层 复采的影响， 故采用沿长壁刀柱 工作面下重叠 式布 置和留保护顶煤的方式。复采工作面顺槽与刀柱工 作面顺槽内错 5 i n布置 ， 护顶煤皮按 0 ． 8 lln计算 ， 则 复采面采高平均为 2 ． 2 m， 煤的容重为 1 ． 4 5 t ／ I I l 3 。 1 ． 2生产技 术条 件 复采工作面“ 三机” 配套设备 MG 1 5 0 ／ 3 7 5一W 型 双滚筒液压牵引采煤机、 S C , Z一6 3 0 ／ 1 8 0型可弯 曲刮 板输送机和 7 ．q 3 8 0 0 1 1 5 5 0 1 2 5 0 0型四柱支撑掩护式液 压支架 6 0组， 工作面两端头除布置支架外 的三角 区 采用单体支柱配合 3 ． 2 m的 7 c 型梁支护 ， 一梁三柱 ， 超前工作面 3 0 m范围内采用 D Z 2 5或 2 8型单体柱 配合 l m铰接顶梁支护 ， 顺 巷道 布置两排 。正常回 采期 间， 采用中部斜切 进刀， 双 向割煤 ， 往返一次进 两刀。其工艺流程为中部斜切进刀一割煤一追机移 架一 推溜 。 2 矿压观测方法与显现规律及分析 在工作 面布置 1 0条测线 ， 安设 1 0台尤洛卡仪 表 ， 自动记录工作面推进过程中支架前后的压力变 化情况； 在端头巷道 3 0 m超前支护单体液压支柱均 匀设置 3个基点为支承工作阻力观测； 在巷道 中每 1 0 m设置一组观测基点 ， 用单 十字布点法 进行观测 巷 道 围 岩 位 移 等 ；同 时 采 用 液 压 支 架 所 配 B Z Y一6 0 ／ 6 0 矿用压力表进行支架阻力统计 观测， 记 录每组支架前 、 后柱阻力的变化 ， 以观测支架的初撑 力及工作阻力。其次沿工作面倾斜方向每 5 个支架作 维普资讯 2 0 0 6 年6 月 矿 业安 全 与环 保 第3 3 卷增刊 为一个观测剖面。每天统计 1 次端面顶板的破碎及煤 帮片帮情况、 统计液压支架安全阀开启率和支架因顶板 压力损坏的部件等情况。矿压观测的 目的 1 了解掌握复采工作 面及顺槽矿压显现 特征 ， 为工作面顶板和顺槽超前支护提供科学依据。 2 了解 液压支架的工作状况及支护效果 ， 考察 支架 的适应性。 3 掌握煤岩体 内应力分布情况及顶煤 活动规 律 ， 以及工作面进 出上层刀柱之间煤柱时 的压力显 现 特征 。 2 ． 1 F 3 1 0 1工作 面支 架工 作 阻力观 测 Z Z S 3 8 0 0 ／ 1 5 5 0 ／ 2 5 0 0型四柱支撑掩护式液压支架 额定工作阻力为 3 8 0 0 k N。根据尤洛卡 自动记 录仪 表的连续监测和每组支架统计 的数据 ， 工作 阻力 与 推进距离的关系如图 1 所示。 4 0 姜 3 0 基 2 O H 1 0 工作面推进距 离， m 图 l 工作 面中部 5 号测线变化规律 复采工作面回采过程中矿压特征 1 压力 曲线均为液压支 架前柱压力 ， 回采过程 中工作面液压支架后柱压力较小 ， 且在煤柱 和刀柱 房 回采时无 明显变化 ， 后柱压力活动较平稳。 2 工作面 回采过程 中， 当切 眼推进距 离上层刀 柱煤柱 1 2 m处时 ， 支架前柱压力 明显变化 ， 初期 推人煤柱下方时 ， 由于煤柱集中应力影响， 前柱压力 达最大值 3 9 M P a 局部 冲击压力达 5 0 MP a ， 部分支 架开始卸液 ， 持 续时间 83 0 h ， 液压柱的活柱下缩 0 ． 1 5 0 ． 4 5 m， 顶煤被 压酥 ， 工作面开始 出现 冒顶、 片帮现象 ， 最大片帮宽度达 2 ． 0 m； 随后支架上方 的 煤柱全部冒空 ， 且有大量的矸石 冒落， 给工作面 回采 造成很大困难 ， 推过煤柱 中心线 2 m以后 ， 压力趋于 稳定 ， 支架受力减小。 3 工作面在刀柱房下推进时 ， 支架压力在 l 0 2 5 MP a 变化 ， 顶部 留设 的顶煤较难完整保留， 但煤壁 不会 出现大面积片帮。 4 工作面推至刀柱下时 ， 顶板压力较高 ， 近似为 1 次来压 ； 工作 面处在刀柱间时 ， 顶板压力较低 ， 但 特殊情况下也会出现来压显现。 5 由于上分层刀柱煤柱 的存在 ， 使下分层开采 时老顶来压步距和来压强度增 加 ， 可能产生 冲击压 力现象 。 2 ． 2 工 作面超 前 支承 压力 观测 用单体支柱压力表在超前单体支拄支设时开始 观测支柱阻力的变化情况 ， 每班记录 1次 ， 运输 和回 风顺槽液压柱上设置 3 组压力表， 初始位置 距工作 面 1 ， 1 0 ， 2 0 m， 随工作面向前推进设置压力表的液压 柱也随之前 移。从超前单体支柱工作阻力记录 ， 可 以看 出压力最大值在靠近煤壁 58 r a左 右或上 层 刀柱之间煤柱 的附近 区域 ， 随着远离 刀柱煤柱 和工 作面煤壁距离的增加 ， 压力递减 ， 2 0 m左右压力稳定 在初撑 状 态 ， 测 得单 体 柱压 力值 ， 运输 巷 为 1 2 3 0 MP a ， 回风巷为 1 1 2 8 MP a ； 运输巷单体压力值高 于 回风巷 ， 说 明采动影响对不同端面的巷道有明显 差 别 。 2 ． 3 巷道 变 形量 观测 巷道断面为梯形 ， 采用木支护 ， 回风 轨道 巷上 宽 3 m， 下宽 3 ． 6 m， 高 2 ． 5 m， 运输巷上宽 2 ． 4 m， 下 宽 3 ． 0 m， 高 2 ． 0 m。巷道 围岩表面位移观测 在巷道 中设置观测基点 ， 用测杆测量顶底板和两帮 的移近 量 ， 每天观测 1次 ， 结合定时可测得移近速度。测点 每 1 0 m为组。从观测数据看 ， 工作面支承压力的影 响范 围是随工作面开采面积增大或在上层刀柱煤柱 的范 围内而增大 的， 特别是上层刀柱煤 柱范 围内的 集中压力影响巷道 的变形量更大 ， 且都 是顶底 方向 大于两帮移近量。巷道最大移近量达1 ． 2 m， 两帮最 大移近量达 0 ． 8 1 ． 0 m。 2 ． 4 液压支架运行状态分析 选用 液 压支 架 的安 全 阀 开 启 压力 设 定 3 7 ． 3 MP a ， 额定工作阻力 3 8 0 0 k N， 泵站压力 3 1 ． 5 MP a ， 支 架的理论初 撑力为 3 1 9 6 k N。从统计情况 看， 工作 面支架平 均初撑力 为 2 1 0 9 k N， 为设 计 的 5 5 ． 5 ％。 液压支架的平均工作阻力为 2 6 2 23 5 3 4 k N。富裕 量较大 ， 沿工作面分布的趋势与初撑力 分布的趋势 是一致的。在现场观测表明 ， 工作面从切眼开始 ， 在 工作面推进 小于 1 0 m时， 支架基本 上处于初撑 状 态 ， 随着工作 面继续推进 ， 顶板面积不断扩大 ， 支架 压力也逐渐增大 ， 支架出现 1次增 阻或多次增阻 ， 由 于推进至上层刀柱煤柱下时 ， 采煤机割煤难 以控制 顶煤 的平整 ， 顶板来压时 ， 支架顶梁的载荷多为前柱 大于后柱 ， 说明基本顶破 断岩块或集 中应力 发生 回 转变形失稳 ， 再加上开始呈俯斜推进 ， 工作面上方顶 板受拉应力 ， 岩层向支架前方滑落 ， 顶板对支架 的合 力作用点偏 向支架前柱。在割煤 时， 很少 出现前后 柱安全 阀同时开启 的情况。从整个观测期 间看 ， 只 2 7 维普资讯 2 0 o 6 年6 月 矿 业安 全 与环 保 第3 3 卷增刊 有当工作面推进 至上层刀柱煤柱下 附近或来压时 ， 才出现前后柱 同时压力升高的现象。 3 针对 上层 刀柱 煤柱 集 中压 力采 取 的控 制 技术措施 上分层煤 柱较 大时 ， 尽 管煤柱表 面部 分会破坏 甚至片落 ， 但其内核部分会保持完好 ， 并将顶 板压力 传递给下位煤体及底板岩层 ， 形成支承压力集 中区。 刀柱式采空区下进行长壁综 采时， 矿压变化相 比其 它的最大区别在于其压力分布的波动性交替变化特 征 ， 即刀柱下压力高 ， 刀柱间压力小。一般来说 ， 当 煤柱所受的载荷达到煤柱极限承载能力或煤柱变形 达到极限时， 煤柱就出现破坏。煤柱破坏机理与 岩 石单轴压缩试验类似 ， 基本破坏形式常呈剪切破坏、 纵 向劈裂等。煤柱软弱时 ， 在采掘影响下 ， 大多将处 于强度破坏阶段 ， 其承载能力很小甚至完全丧失 ， 此 时极易发生压剪滑落式 、 重力滑落式、 劈裂式或横拱 式等形式的片落失稳现象 。因此可能发生冲击压力 现象 ， 压垮巷道 的支护 ， 堵塞切 眼或巷道 ； 压死液压 支架 ， 使生产难以继续。采取控制技术措施如下 1 在工作面配套设备的设计 与选型时 ， 充分考 虑复采工作面的具体生产条件。液压支架采用四柱 支撑掩护式架型 ， 支护强度高 、 架型稳定 ， 能较好地 适应 3 煤层复采工作面生产地质条件的要求 ； 支架 设计充分考虑了复采面受刀柱煤柱集 中应力作用和 老顶来压等影响因素 ， 在工作阻力 、 初撑力等参数设 计中力求适应动载影响 ； 考虑采用煤皮护顶 ， 可有效 地预防工作面漏矸 ， 有利于调架 ； 支架顶梁采用整体 伸缩梁结构形式 ， 掩护梁、 顶梁均采用单侧活动侧 护 板 ， 侧护板可 以对工 作面全 封闭 ； 顶梁前端 支护 力 大 ， 前端支护力为 1 0 0 0 k N， 有利于保持梁端顶板的 完整 。支架采用单前连杆 ， 整体后连杆结构 ， 稳定性 好 ， 可靠 性高 。整体后连杆 、 掩护 梁完全 隔离 采空 区， 封闭性好 ； 支架采用分体式刚性 铰接长底 座 ， 抗 弯、 抗扭性能好 ， 不积煤矸 ； 支架推移机构采用浮动 活塞式推移千斤顶加短推杆结构形式 ， 结构紧凑 ， 可 靠性高 ， 拉架力达到支架重量的 2 ． 5倍 ； 采用较大流 量安全 阀， 可有效地适应刀柱煤柱集 中应力作用和 老顶冲击来压的条件。 2 加强工作面端头支护及顶板管理。工作面运 输和回风顺槽 超前单体液压柱必须成一直线 ， 初 撑 力 ≥9 o k N， 压力大的地段要加大支护密度。复采工 作面推进至采空 区下时 ， 为保持顶煤完整性和稳定 性 ， 必须采用“ 先移架 ， 后移溜” 的支护方式 ， 同时支 架的初撑力不宜太大 ， 以免造成漏顶窜矸事故发生 。 28 3 对上分层煤柱及顶板进行强制预爆破控制技 术 。因复采工作面是在上分层采 空区下进行 回采 ， 为防止上层刀柱工作面顶板不完全垮落 ， 造成上层 煤柱出现集 中应力区， 而对回采产生冲击压力影响。 回采过程中 ， 必须超前对上分层煤柱及顶板进行强 制预爆破 ， 破坏上分层煤柱及顶板的完整性 。强制 预爆破时 ， 钻眼必须在煤柱内进行 ， 从两顺槽斜向上 钻眼， 垂直探眼深度应不小于 1 5 n l ， 然后装药进行强 制放顶 ， 预爆破应超前 回采工作面 1 0 n l 进行 。同时 针对不同的情况 ， 采 取优化 强制 预爆破炮 眼布置参 数和装药量等相应的措施进行处理。 4 结论 1 在特厚煤层上分层 刀柱式 回采条件下 ， 回收 下分层残留煤体开采时所对应 的顶板结构不同于常 规煤层 的开采 ， 主要 区别是顶板岩层 的支承条件 由 均匀支承变为间隔分布式集 中支撑 ， 所处 的应力场 因上分层煤柱的存在而呈现 出交替变化波动性分布 特征 。 2 需要突破对顶板进行爆 破以减弱矿压显现剧 烈程度的传统思维模式 ， 以降低 上分层 刀柱之间煤 柱的完整性 ， 从而减弱或消除刀柱之间煤柱的集中 支承性能 ， 是对下分层 回收复采工作面减弱矿压的 有 效技 术途 径 。 3 由于上分层刀柱之间煤柱的存在 ， 使得下分 层开采时采场老顶来压步距和来 压强度比常规综采 工作面增大。所 面临 的主要 问题是 顶板 压力 的突 变、 煤壁片落、 端面漏 冒煤矸等 ， 也是影 响综 采支架 选型及合理支护参数确定 的主要因素。 4 结合具体情况 ， 从理论分析到现场研究 ， 在工 作面布置 ， 配套设备的设计选型、 开采工艺与顶板管 理 、 矿压观测 ， 以及采取强制预爆破消除煤柱的集 中 应力等方面采取 的控制技术措施 ， 对残 留的煤炭 资 源进行复采 回收是可行 的。对在类 似条件下的煤炭 资源回收而采取控制技术具有较高的推广价值 和广 阔的应用前景 ， 并可取得显著 的经济效益。 参考文献 [ 1 ]邢福康 ． 煤矿支护手册[ M] ． 北京 煤 炭工业 出版社 ， 1 9 9 3 [ 2 ] 窦林名 ， 何学秋 ． 冲 击矿压 防治理论与技术 [ M] ． 徐州 中 国矿 业大学 出版 社 ， 2 0 0 1 [ 3 ]桂祥友， 马 云东 ． 浅埋 工作 面矿 山压力 显现 规律 模拟 研 究[ J ] ． 中国矿业 ， 2 0 0 4 ， 6 [ 4 ]张荣立 ， 何 国纬 ， 等． 采矿工程设 计手册 [ M] ．北京 煤炭 工 业 出版 社 ， 2 0 0 3 责任编辑 吴 自立 维普资讯