“三硬”薄煤层综采面矿压显现规律探习.pdf

2 0 1 3年第6 期 中州煤炭 第 2 1 0 期 “ 三硬 薄煤层综采面矿压显现规律探析 杜 高峰 中煤科 工集团 武 汉设计研 究院， 湖北 武汉4 3 0 0 6 4 摘要 以“ 三硬 ” 薄煤层综采工作面为研究对象 ， 对其矿压 显现 规律 进行研 究。通过 现场 实测 、 统计 、 处 理 、 分 析工作面支架工作 阻力 ， 得 出 了“ 三硬 ” 薄煤层 综采工作 面上方顶 板运 动不及 中厚煤 层 强烈； 整个 工作 面平 均工作 阻力2 1 5 0 ． 9 k N， 约为支架额定 工作 阻力的 6 5 ． 1 7 ％ ， 其 中工作 面上部 支架平 均工作 阻力最 大， 工作面 的下部支架平均工作 阻力最小 ； 超前 支撑压力 影响范围在煤壁前 方 l 5～1 8 m。并对液压支 架运行状况 以及 支架对顶底板 的适应性进行 了分析。 关键词 “ 三硬” 薄煤层 ； 综采工作 面； 矿压显现规律 中图分类号 T D 3 2 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 3 0 6 0 0 0 6 0 3 Ana l y s i s o n La ws o f St r a t a - p r e s s u r e Be ha v i o r f o r ” Thr e e H a r d” Fu l l y - m e c ha n i z e d W o r ki ng Fa c e wi t h Th i n Se a m Du Ga o f e n g W u h a n D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a C o a l T e c h n o l o g y E n g i n e e r i n g G r o u p ， W u h a n 4 3 0 0 6 4 ， C h i n a 国内外许 多学者对薄煤层 的矿压规律进行研 究。付玉平等通过现场实测 、 数值模拟等手段总结 了薄煤层 工作 面 在 不 同条 件 下 的 矿 压 规 律 ⋯ 。冉 松河 运用 电磁 辐射 及 液 压 支架 数 据 ， 总 结 了 在 遇 到 薄煤层前后， 矿压显现的规律及其变化特征 。付 凯等运用现场实测 ， 总结 了坚硬顶板条件下工作 面 矿压显现规律 。赵兵兵等利 用数值模拟总结 了 薄煤层综采工作 面采场矿压显现规律 J 。“ 三硬” 薄煤层是薄煤层的特殊情况之一 ， 其工作面矿压规 律与其他情况相比， 具有 自身的规律和特点 ， 笔者以 河南 某矿 1 0 9 0 2工作 面实 测 矿 压 数据 为 基 础 ， 利用 现场实测 ， 分析 “ 三硬” 薄煤层 综采面矿压 显现规 律 ， 并 对支 架 的适应 性进 行评 价 。 收 稿 日期 2 0 1 30 31 8 作者 简介 杜高峰 1 9 8 O 一 ， 男 ， 河 南商丘人 ， 工程师 ， 2 0 0 3年 毕业 予焦作 1 学 院， 现从事矿井设计工作 。 6 1 工作面概况 1 0 9 0 2工作面是河南某矿首个综采工作 面 ， 位 于 1 0 9采 区西翼上部 ， 地面标高 2 1 9～ 2 5 5 m， 工 作面标高为 一6 0～一 9 2 m， 平均采深 3 1 3 m， 工作面 走向长 9 5 0 m， 倾 向长 1 4 5 m， 工作面煤层厚为 0 ． 8 2 ～ 1 ． 3 6 m， 平均厚 1 ． 0 9 m， 倾角 1 0 。 ～1 8 。 ， 工作面顶 板灰 岩f 7 ． 1～ 8 ． 5 、 直 接底 铝土 泥岩 3 ． 0～ 4 ． 8 、 一 煤 f 2 ． 3～ 2 ． 7 ， 属于 “ 三 硬” 薄煤 层 。工作 面采 用 Z Y 3 3 0 0 ／ 7 ． 5 ／ 1 5 D 型 支 架 进 行 支 护 ， 两 端 选 用 D Z 1 2 3 0 ／ 1 0 0型单体 液压 支 柱 支 护 ， 其 中 液 压 支 架 的额定工作阻力为 3 3 0 0 k N 。 2观测站布置及观测 内容 采用 Y H Y 6 0 B 矿用本安型数字压力计 ， 工作 面上 、 中、 下 部分别 在 1 5 、 3 0 、 4 5 、 6 0 支 架处安 设 4 个分机 ， 各分机可同时测量支架左右支柱压力 ， 并使 一 _ 蓍 _量 m 山 S n S p ～ ～ ～ ∞ m 蒜 ～ ∞ 一 一 一 一 ～ 一 ～ ～ ～ 一 一 i兰 一 ． 鹞 衙 Ⅷ 甜 妾～ n ． T D m 黔 k M w 巾 a 薰兰一 ～ ～ 峨 一 ．～ 一 一 一 ～ ～ ～ ～ ～ ～ 一 一 一 一 ～ ～ ～ 一 一 ～ ～ 一 一 蒯 -N 一 一 ～ ．一 一 一 ～ ～ 一 ～ 一 一 ～ ． _呈 w 重 n 伯 札 m n m 咖 一 ～ ～ 一 ～ 一 一 一 一 一 一 2 0 1 3年第 6期 杜高峰 “ 三硬” 薄煤层综采面矿压显现规律探析 总第 2 1 0期 用 1台采集器进行采集 ， 采集器携带至井上后通过 无线通讯适配器将数据 自动地传送到 P C计算机处 理 ， 工 作 面矿 压观 测 点 布 置 如 图 1所 示 。在 两 巷 距 煤壁 2 0 ， 3 0 m 处 分 别 布 置 2个 顶 底 板 移 近 量 观 测 站 ， 定 期 进行 观测 。 图 1 测站和巷道变 形观测点布置 3矿压 显现特征 实测分析 周 期 来 压是 上 覆 岩 层移 动 破 坏 的表现 ， 矿 压显 现强弱程度取决于具体的地质条件和生产技术等因 素 。周期来压判别 主要指标是支架的平均循环 末 阻力 与其 均方 差之 和 ， 即 一 几 _ _ P P ； ／ P P V⋯一 式中， 为循环末阻力平均 值 的均方差 ； n为实测 循环数 ； P 为各循环 的实测循环末 阻力 ； P 为循环 一 1 末阻力的平均值 ， 又 P 二 ∑P n I 1 由于工作 面在初采期间， 工作 面矿压监测设备 尚未正常运行 ， 故未做工作面初次来压分析 ， 工作面 推进 5 8 m开 始观 测 ， 直 到 推 进 至 9 4 ． 5 4 I 1 11 以开 切 眼为起点 ， 工作面经历了 5～6次周期来压 。通过 观测数据统计、 处理 ， 绘制循环末阻力随推进距离变 化 曲线 ， 分析 基本 顶周 期 来 压 过 程 ， 图 2 一 图 5中横 虚线为来压判据 ， 竖虚线为顶板来压时工作面距切 眼 的距 离 。 1 工作面上部顶板 活动规律。由图 2可知 ， 周期 来 压步距 最 大 为 8 ． 7 9 m， 最小 为 5 ． 0 4 m， 平 均 6 ． 4 3 m， 来压动态系数平均为 1 ． 2 6 ， 支架循环末 阻 力平 均 为 2 5 1 6 ． 8 k N， 是 额 定工 作阻 力 的 7 6 ． 2 ％ 。 2 工作 面 中部 顶板 活动 规 律 。 由图 3和 图 4 可知 ， 工作面中部周期来压步距最 大分别为 6 ． 8 7 ， 1 2 ． 0 5 m， 最 小值分别 为 6 ． 2 2 ， 4 ． 3 8 m， 平 均 6 ． 2 1 ， 6 ． 6 4 m； 来压 动 态 系 数 平 均 分 别 为 1 ． 4 1 ， 1 ． 4 0 。 中 部支架循环末阻力平均为 2 1 4 9 ． 1 k N， 是额定工作 阻力 的 6 5 ． 1 ％ 。 Z _ R 四 氅 Z 姆 图 2 1 5 支架循环 末阻力曲线变化 z； ； 您 图 3 3 0 支架循环末 阻力曲线变化 I ． △ l J 弋 乙 l 5 8 0 0 6 3 ．0 4 8 ‘ 0 8 疑 距 R 3 。2 。 2 4 9 3 ‘2 图 4 4 5 支架循环末 阻力 曲线变化 3 工作 面下部顶板活动规律。由图 5可知 ， 工作面 中部周期来压 步距 最大为 7 ． 6 3 m， 最 小值 5 ． 1 1 m， 平均 6 ． 6 2 m， 来压动态系数平均为 1 ． 6 0 ， 支 架循环末阻力平 均为 1 8 1 3 ． 5 k N， 是额定工作阻力 的 5 4 ． 9 ％ 。 ＼。 ⋯ ⋯ I ___⋯ ⋯ l ⋯⋯ 一 ／ 、 。 ＼ ， 』 ‘ l i ． 推 进 距 离／ m 图 5 6 0 支架循环末 阻力曲线变化 总体 比较可以看 出， 工作面循环末阻力 自上部 至下 部呈 递减趋 势 。整个 工作 面支 架循 环末 阻力 的 平均值 为 2 1 5 0 ． 9 k N， 约为 支架额 定工作 阻力 的 6 5 ． 1 7 ％。基本顶来压期间， 工作面上部来压步距较 一 7 咖 0 船 z 蛊 怅 酶 2 0 1 3 年第6期 中州煤炭 总 第 2 1 0 期 小 ， 下部来 压 步距 较 大 ， 来 压 持续 时 间较 短 ， 强 度 不 大 ， 工作 面周 期来 压步 距 为 3 ． 6 81 2 ． 0 5 m， 平 均 为 7 ． 8 m， 来压步距偏小可能与工作面推进速度慢有直 接关系。 但工 作面 下部初 撑 力 最小 ， 应 加强 工 作 面 初撑 力 的 管理， 防止顶板事故 。 表 2 支架初撑力频率统计 ％ 支架初撑力／ k N 4 周期来压强度分析 支 架 ‰ 0 。0 o - 。 。2 06 00 0 2 6 00 o 00 20 06 00 o - 动载系数是确 定基本顶 来压 强度 的指标 表 1 ， 是指支架在来压期间的荷载平均值与平 时支架 荷载平均值的 比值 。该指标反映来压强度大小 ， 是 判断顶板来压强度的重要参数。 表 1 基本顶周期 来压期 间动载 系数统计 支架 1 5 1 ． 2 1 1 ． 2 7 1 ． 31 1 ． 1 8 1 ． 1 9 1 ． 4 0 3 0 1 ． 4 0 1 3 8 1 ． 3 7 1 ． 4 3 1 ． 4 7 4 5 1 ． 4 l 1 ． 42 1 3 8 1 ． 4 3 1 ． 41 1 ． 3 5 6 0 1 ． 6 2 1 ． 68 1 ． 5 7 1 ． 5 8 1 ． 7 6 1 ． 3 9 平 均 值 1 ． 2 6 1 ． 41 1 ． 4 0 1 ． 6 O 由表 1 可 以看 出 ， 工作 面 动 载系 数 范 围为 1 ． 1 8 ～ 1 ． 7 6 ， 压 力 波动 范 围不 大 ， 平均 动 载 系数 为 1 ． 4 1 ， 整体来压较为缓和。个别动载系数较大 ， 可能是 由 于工作面推进速度变慢 ， 造成顶板下沉时间增加， 使 来压时动载系数有所增大。 5支架工作 阻力及适应性分析 1 支架初撑力分析。支架初撑力是指移架循 环 中支架 初 到支护位 置后 ， 支 架受泵 站供 压 而升起 ， 使支架顶梁与工作面顶板接触 ， 当支架达到支护要 求 ， 泵站停止供液 ， 此时支架的内部压力为初撑力 。 初撑力的大小直接关系到工作面顶板稳定性 ， 如果 初撑 力过 小 ， 顶 板 来压 时可 能 导 致 支架 迅 速 下 降 发 生顶板事故或者支架压死等现象 ， 而且初撑力过小 也会使矿压监测的数据失去准确性 。 1 0 9 0 2工 作 面采用 Z Y 3 3 0 0 ／ 7 ． 5 ／ 1 5 D型 支架 ， 所 用 乳化 液泵 站 的额 定输 出压 力 3 1 ． 5 MP a ， 最 大 初 撑 力 2 6 0 0 k N。通过对观测数据的处理 ， 得 出观测期 间工作面各支架实测初撑力频率分布 表 2 。 根据统计结果 ， 1 5 、 3 O 、 4 5 、 6 0 支架的平均初 撑力 分 别 为 1 5 6 8 ． 3 2 ， 1 3 9 8 ． 5 4 ， 1 4 3 8 ． 6 5 ， 9 9 2 ． 5 4 k N， 距额定初撑力 2 6 0 0 k N差距较大 ， 分别为额定 初 撑 力 的 6 0 ． 3 2 ％ ， 5 3 ． 7 8 ％ ， 5 5 ． 3 3 ％ ， 3 8 ． 1 7 ％ ， 支 架总体平均初撑力为 1 3 4 9 ． 5 1 k N， 占额定初撑力 的 5 1 ． 9 0 ％， 平均初撑力偏小。工作面支架的初撑力主 要分布在 8 0 0～2 0 0 0 k N， 支架工作效能基本发挥 ， 8 1 5 3 0 4 5 6 0 平均 1 ． 3 4 1 ． 1 3 2 ． O 2 3 ． 5 4 2 ． O O 8 4 l 3 ． 1 6 21 2 0 ． 5 2 3 5 2 9 ． 4 5 5 4 3 3 ． 2 2 2 O 2 4 ． 0 8 3 4 2 6 ． 2 4 5 4 2 7 ． 3 7 8 7 2 6 ． 5 4 5 4 4 ． 5 7 8 2 2 1 ． 1 8 1 7 ． O 8 7 ． 2 3 6 ． 7 7 3 ． 5 9 8 ． 7 2 2 支架循 环末 阻力分 析。随着工作 面 的推 进 ， 由于受 到支架 操作 质量 、 控顶 效果 及顶板 动态 变 化 的影 响 ， 每个循 环 内支架 阻力 的大小 不 同 ， 且不 同 工作面部位支架阻力差异较大 ， 支架阻力 的大小反 映了顶板压力大小， 也反映了支架的适应性 和支护 效能的发挥程度。支架 末阻力观测数据 处理见表 3。 表 3支架末 阻力频度统计 ％ 从表 3可 以看 出 ， 1 5 、 3 0 、 4 5 和 6 0 支 架 末 阻 力基本呈正态分布 ， 较为合理 ， 支架阻力值 在 2 0 0 0 ～ 2 4 0 0 k N之间的占统计数 的 2 6 ． 9 9 ％ ， 大于 1 6 0 0 k N的 占统计数 的 7 5 ． 6 6 ％ ， 说 明液 压 支 架 实 际利 用 率较高， 工作性能发挥较好。从采空区观测来看 ， 支 架后方空顶较大的是工作面上部 ， 下部支架 后方顶 板 垮落较 为充 分 。另外 ， 支 架左 、 右立 柱末 阻力 平均 值分别 为 8 6 7 ． 3 4 ， 8 8 9 ． 2 6 k N ／ 柱 ， 支架左 柱与右柱 阻力 比值 为 1 ． 0 2 ， 支 架受 力 比较 均衡 。 6 回采巷道 围岩变形分析 由于 工作 面 回采 ， 工作 面后 方形成 采空 区 ， 工作 面顶板岩层移动 、 旋转 、 垮落 ， 应力重新分布， 在工作 面前方形成超前支撑压力， 峰值一般为原岩应力的 2～ 3倍 ， 外在表现为工作面两端巷道变形或破坏 ， 影响范围与岩性 、 采深等 因素有关。1 0 9 0 2工作 面 两巷 顶底板 移近 量与 工作 面 下转第 l 2页 2 0 1 3 年第 6 期 中,k ll 煤炭 总第 2 1 0期 间内瓦斯 的流场特 征， 研究表 明， 工作面上 隅角 以 1 3 k P a的负压进行瓦斯抽放 ， 有利于解决上 隅角瓦 斯超限的问题 ， 使采空区特别是下部 的瓦斯浓度降 低 ， 采空区内最高瓦斯浓度 下降了 5 0 ％ ， 减小 了高 位围岩裂隙带高浓度瓦斯的分布 区域 ， 结合终孑 L 高 度 2 0 m的高位瓦斯抽采 ， 可有效消除瓦斯隐患。 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 胡圣鹏． 采煤工作面上 隅角瓦斯积 聚成因与 处理对策 [ J ] ． 煤 炭技术 ， 2 0 0 6 ， 2 5 5 6 2 - 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