8.8m超大采高工作面矿压显现规律实测及机理分析.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 移动扫码阅读 杨俊哲刘前进.. 超大采高工作面矿压显现规律实测及机理分析.煤炭科学技术 . / . . / . 超大采高工作面矿压显现规律实测及机理分析 杨俊哲刘前进 .神华神东煤炭集团有限责任公司陕西 神木 .天地科技股份有限公司 开采设计事业部北京 摘 要针对浅埋深超大采高工作面矿压显现强烈的问题基于支架压力现场监测对上湾煤矿. 超大采高工作面矿压显现规律进行了研究 结果表明. 超大采高工作面基本顶初次来压步距 为 左右周期来压步距平均为 . 动载系数平均为 .超大采高工作面周期来压具有来压 步距短、来压持续时间长、来压区域性明显、动载矿压强烈等特点 根据工作面上覆顶板结构分析认 为工作面开采强度大、顶板活动剧烈关键层结构单一、赋存层位低、易滑落失稳、上覆顶板整体性破 断是造成浅埋深超大采高工作面矿压显现强烈的主要原因 关键词神东矿区. 超大采高大采高综采矿压规律浅埋深 中图分类号 文献标志码 文章编号 . . .. . .. . . . . . .. . . . 收稿日期责任编辑朱恩光 基金项目国家重点研发计划资助项目 作者简介杨俊哲男陕西洋县人教授级高级工程师博士现任神华神东煤炭集团有限责任公司副总经理、总工程师 . .. 引 言 大采高综采技术在我国发展迅速从目前割煤 高度的发展趋势看大致可以划分为 类采高 .. 的常规大采高综采和采高大于 . 的 超大采高综采 神东矿区厚及特厚煤层储量丰 富其中 . 以上煤层总地质储量为 . 亿 其 中. 以上 . 亿 . 以上 . 亿 这类煤 层大多具有埋藏浅、倾角小、硬度大、易自燃、赋存稳 定、地质构造简单的特点适合采用大采高和超大采 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 高综采技术 神东矿区自本世纪初期引入大采 高综采技术以来大采高综采工作面采高从 . 逐步发展到 .、.、.、. 工作面单产也屡创 新高 尤其是补连塔煤矿 . 超大采高综采 的成功应用将大采高综采工作面单产提高到 万 / 证明了 . 超大采高综采技术在神东矿区 应用的可行性为上湾煤矿 . 超大采高综采工 作面的回采提供了可借鉴的经验 年 月 份神东上湾煤矿 . 超大采高工作面成功投产 再次刷新大采高综采工作面一次采全高的世界纪 录工作面单产能力提升到 万 / 并且主要综 采设备全部实现国产化标志着神东公司乃至我国大 采高综采技术和装备水平达到了新高度 神东矿区 浅埋煤层开采过程中普遍矿压显现强烈随着超 大采高工作面采高和开采强度的加大工作面矿压 显现更为强烈发生片帮冒顶、倒架、压架事故的风 险增大因此顶板灾害是 . 超大采高工作面 潜在的主要灾害 我国学者对 . 以下大采高工 作面的矿压规律和覆岩结构等做了较多的研 究在 . 超大采高工作面投产之前也已经 做了一定理论性的研究工作但是 . 超大 采高工作面矿压规律的实测研究目前还尚属空白 基于现场实测对上湾煤矿 . 超大采高工作面矿 压显现规律进行了研究并分析了其来压机理以期 指导工作面安全生产并为超大采高工作面矿压预 测预警技术研究提供实测依据 工程概况 综采工作面是上湾煤矿四盘区首采工作 面开采 煤层埋深 上覆松散层厚度 基岩厚度 煤层厚度 . . 平均 . 倾角 煤层普氏系数 煤层节理裂隙不发育完整性好硬度大、韧性 高 工作面直接顶为厚 的砂岩与粉砂质泥岩互 层底板为厚 .. 泥岩 工作面采用大采高综采一次采全高工 艺设计采高为 . 工作面宽度 . 走向长 度 . 工作面设备配套见表 工作面液压 支架型号为 // 型两柱掩护式液压支 架是目前国内工作阻力最大、支撑高度最高的综采 液压支架并配备大流量乳化液泵站支架中心距为 . 采用三级护帮端头支架过渡形式采用垂直 过渡 表 工作面设备 . 设备名称生产厂家设备型号主要技术参数 采煤机 天地科技股 份有限公司 / 总功率 供电电压 滚筒直径 滚筒截深 生 产能力 / 液压支架郑煤机//两柱掩护式额定工作阻力 支架中心距 刮板输送机 江苏天明机械 集团有限公司 / 功率 链速 . / 运输能力 / 输送机槽尺寸长内宽 高 转载机 江苏天明机械 集团有限公司 /槽内宽 运输长度 . 电机功率 乳化液泵站 北京华海基业机械 设备有限公司 额定压力 . 额定流量 / 电机功率 . 超大采高工作面矿压显现规律 . 初次来压规律 工作面开切眼高 宽 . 开采初 期采用深孔预裂爆破进行强制放顶 当工作面推进 至 时除机头机尾外工作面直接顶基本全部 垮落 工作面推进 时支架压力明显升高基 本顶初次来压来压持续距离约 刀 基本 顶初次来压期间工作面各支架压力如图 所示 号支架压力普遍超过了 最高达到了 支架安全阀开启率达到 工作面 初次来压期间煤壁受压变酥在采煤机滚筒附近片 帮严重回收护帮板时有片帮煤大面积掉落现象 图 工作面基本顶初次来压期间支架压力分布 . 杨俊哲等. 超大采高工作面矿压显现规律实测及机理分析 年第 期 . 周期来压规律 在 年 月 月工作面正常回采期间 通过支架压力在线监测系统历史数据分析并结合现 场观测对 工作面周期来压特征进行了长期 的统计分析共分析了 多个周期来压过程 工作面正常回采一段时期内支架压力如图 所示支架最大压力 .. 平均 . 图 工作面正常回采期间支架压力 . . 分析得出 超大采高工作面周期来压主要 有以下特征 周期来压步距短持续时间长 . 超大 采高工作面周期来压步距 .. 主要分布在 平均 . 正常回采期间工作面推进 速度较快来压频繁每 就有一次来压过程 周期来压持续长度为 .. 平均 . 周期来压区域性明显 周期来压开始时通常 在工作面中部的支架首先出现压力陡增现象并从工 作面中部扩散到两侧 来压影响范围主要分布在 号支架工作面中部矿压显现强烈而机头 机尾两侧支架很少受来压影响矿压显现始终缓和 工作面动载矿压强烈 工作面周期来压动载 系数统计见表 工作面周期来压期间各支架末阻 力为 平均 非来压期 间各 支 架 末 阻 力 为 平 均 动载系数为 ..平均 .来压 期间支架末阻力明显高于非来压期间支架末阻力 动载矿压强烈 来压特征显著 工作面周期来压期间各支 架循环增阻情况见表 支架平均循环增阻量界于 平均为 循环增阻率界 于 ..平均为 .周期来压期间 支架增阻显著 而在非来压期间支架增阻不明显 阻力变化呈恒阻或微增阻状态支架平均循环增阻 率仅为 左右 支架不同时刻 年 月 日 日增阻特征如图 所示呈现出工作面来压 期间矿压显现强烈而非来压期间矿压显现却异常 平缓的特征 图 支架不同时刻增阻特征 . 工作面宏观矿压显现强烈 工作面周期来 压期间多出现支架安全阀开启现象开启率为 平均为 左右支架活柱下缩明显 年 月 日 日 如图 所示下缩量 平均为 左右煤壁炸帮、片帮现象明显 增多最大片帮深度达到 . 表 工作面周期来压数据统计 来压参数 支架编号 来压期间支架末阻力/ 非来压期间支架末阻力/ 动载系数........ 表 工作面周期来压期间各支架循环增阻情况统计 支架参数 支架编号 平均初撑力/ 循环增阻量/ 循环增阻率/ ........ 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 图 工作面支架压强与高度变化关系 . . . 支架适应性分析 支架工作阻力区间分布反映支架的工作状态 和工作阻力利用情况可以判断支架的适应性 统计 工作面正常回采期间支架整体工作阻 力区间分布如图 所示 支架工作阻力主要分布 在 以上该比例为 .支架工作阻 力利用比较充分支架工作阻力在 以上 的比例平均为 .支架安全阀开启率在合理范 围内整体而言支架工作阻力区间分布合理支 护性能发挥充分具有较好的适应性支架选型 合理 图 工作面支架工作阻力区间分布 . . 工作面来压机理分析 基于 工作面顶板观测钻孔得出的上覆岩 层结构划分见表 根据关键层判别准则对工 作面上覆岩层关键层进行了判定 在关键层的运动 过程中其所控制上覆岩层随之同步运动而其下部 岩层不与之协调变形它所承受的载荷已不再需要 其下部岩层来承担因而可根据公式依次计算 第 层岩层对第 层岩层的载荷 式中 为第 层对第 层载荷 、 为 分别第 、 层弹性模量 、分别为第 、 层厚度 为第 层岩石容重/ 如果 则认为第 层为坚硬岩 层否则继续计算第 层对第 层的载荷 表 工作面上覆岩层结构划分 . 地层序号岩性厚度/ 备注 风积沙与亚黏土表土层 粉砂质泥岩互层泥质岩层 粗砂岩 泥质粉砂岩与细砂岩互层 细砂岩 粉砂岩 中砂岩 泥质粉砂岩 软质砂岩层 钙质中砂岩 粉砂岩 粗砂岩 硬质砂岩层 粉砂质泥岩与细砂岩互层泥质岩层 石英细砂岩 粗砂岩 粗砂岩 组合关键层 砂岩与砂质泥岩互层直接顶 煤.煤层 根据坚硬岩层载荷判据并结合上湾煤矿及神 东矿区同类岩层物理力学性质测试结果得出 、、、为坚硬岩层 采用公式对第 层坚硬岩层周期性垮断步 距进行计算 式中 为第 层坚硬岩层周期性垮断步距 为 岩梁厚度为岩体抗拉强度 为第 层 岩体所受载荷 各坚硬岩层的周期垮断步距计算结果见表 因为 所以 、、、同时垮断 因此岩层为工作面基本顶同时是控制上覆岩 层运动的关键岩层工作面上方岩层呈单一关键层 杨俊哲等. 超大采高工作面矿压显现规律实测及机理分析 年第 期 结构 将上方各坚硬岩层所承载载荷全部作用在 岩层上根据式重新计算 工作面基本 顶周期垮断步距 . 这与工作面周期来压 步距实测结果基本相符 表 各坚硬岩层周期垮断步距计算 层位 岩体抗拉强度 / .... 岩层载荷 / .... 周期垮断步距 / .... 粗砂岩与石英细砂岩层位相邻、岩性相 近且岩层厚度大、强度高可形成控制上覆岩层运动 的组合关键层 往上依次为强度较低的泥质岩 层总厚 主要为粉砂质泥岩与细砂岩互层、 强度较高的硬质砂岩层总厚 主要由粗砂岩、 粉砂岩和钙质中砂岩组成、强度较低的软质砂岩 层总厚 以粉砂岩为主和泥质砂岩层总厚 主要为粉砂质泥岩互层以及表土层总厚 由风积沙和亚黏土组成 由于成岩年代的 不同岩层从下至上总体呈现强度逐步降低的趋势 工作面下位顶板岩层 深度以下主要为砂质 岩层上位岩层逐渐转变为泥质岩层且风化程度 高岩层强度低 软质砂岩层、泥质岩层、表土层由 于岩层强度低承载能力较弱或无承载能力视为载 荷层硬质砂岩层和 组合关键层岩层强度较 高承载能力强视为承载岩层 根据关键层稳定性 判断准则 关键层下方直接顶厚度薄易 发生滑落失稳难以形成稳定的铰接结构因此以悬 臂梁的结构形式存在工作面上方能够形成稳 定铰接结构的基本顶岩层上移至 硬质砂 岩层 根据 工作面顶板结构进行分析认为 . 超大采高工作面矿压显现强烈的机理主要有以下 几点. 超大采高工作面采出空间大且开采 强度高导致顶板活动剧烈是工作面来压期间矿压 显现强烈的直接诱因 直接顶厚度薄采空区充 填不充分基本顶 组合关键层难以形成稳 定的铰接结构顶板垮断前呈悬臂梁结构形式且上 覆基岩层以砂岩为主强度高、脆性大在发生破断 前弯曲下沉量较小因此在工作面非来压期间支架 无明显增阻而当下位基本顶达到极限破断步距发 生破断后对工作面支架产生较大的冲击载荷工作 面来压显著 浅埋煤层关键层结构简单多呈单 一关键层或双关键层结构根据 工作面 周期来压特点及覆岩结构分析工作面顶板主要呈 现单一关键层结构 关键层上方的软弱岩层和松散 层的残余载荷直接作用在其上导致关键岩层破断 步距小当层位较低的关键层破断后引发上方岩层 的整体性破断使工作面来压强烈 结 论 . 超大采高工作面直接顶初次垮落步距 为 基本顶初次来压步距为 左右工作面 周期来压步距平均为 . 周期来压动载系数平 均为 .其中工作面中部动载系数平均达到 . 矿压显现强烈 . 超大采高工作面周期来压具有来压步 距短、持续时间长、来压区域性明显、动载矿压强烈、 来压特征显著、宏观矿压显现强烈等特点 工作面支架工作阻力主要分布在 以上区间比例为 .支架工作阻力利用较充 分工作阻力在 以上的比例平均为. 支架安全阀开启率在合理范围内支架工作阻力区 间分布合理适应性较好 工作面开采强度大、顶板活动剧烈单一关 键层结构层位低、易滑落失稳、上覆顶板整体性破 断是造成浅埋深超大采高工作面矿压显现强烈的 主要原因 参考文献 吴凤东.大海则煤矿大采高综采技术适应性研究.北京北 京科技大学. 王国法庞义辉.. 超大采高综采成套装备研制及应用. 煤炭工程 . . . . . 孟宪锐王鸿鹏刘朝晖等.我国厚煤层开采方法的选择原则 与发展现状.煤炭科学技术. . . . 杨俊哲.. 大采高工作面覆岩破断及矿压显现规律研究 .煤炭科学技术 . . . . . 范文胜.超大采高工作面回采关键技术研究.煤炭工程 . . . . 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 杨俊哲. 大采高综采工作面关键回采技术研究.煤炭科 学技术. . . . 黄庆享.浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义.岩石力学与 工程学报. . . . 黄庆享周金龙.浅埋煤层大采高工作面矿压规律及顶板结构 研究.煤炭学报. . . . 庞义辉王国法张金虎等.超大采高工作面覆岩断裂结构及 稳定性控制技术.煤炭科学技术. . . . 张立辉李男男. 大采高综采工作面矿压显现规律研究 .煤炭科学技术. . . . 梁运培李 波袁 永等.大采高综采采场关键层运动型式 及对工 作 面 矿 压 的 影 响 . 煤 炭 学 报 . . . . 李瑞群陈苏社.浅埋深 大采高综采工作面顶板灾害防治 技术研究.煤炭工程 . . . . 王海军.神东矿区 以上超大采高综采工作面技术探讨 .煤炭技术. . . . 徐 涛贺海涛.地表沟谷对上湾煤矿超大采高工作面矿压显 现规律影响分析.中国煤炭. . . . 张宏伟周坤友付兴等.特大采高工作面矿压显现规律 .辽宁工程技术大学学报自然科学版. . . . 钱鸣高缪协兴许家林.岩层控制中的关键层理论研究. 煤炭学报. . . . 李化敏李回贵宋桂军等.神东矿区煤系地层岩石物理力学 性质.煤炭学报. . . . 缪协兴茅献彪孙振武等.采场覆岩中复合关键层的形成条 件与判 别 方 法 . 中 国 矿 业 大 学 学 报 . . . . 钱鸣高石平五许家林.矿山压力与岩层控制.徐州中 国矿业大学出版社. 闫少宏尹希文许红杰等.大采高综采顶板短悬臂梁铰接 岩梁结构与支架工作阻力的确定.煤炭学报 . . 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