软弱围岩分层大采高综采面矿压显现规律研究(1).pdf

2020.26 科学技术创新 软弱围岩分层大采高综采面矿压显现规律研究 李国志 1， 2 王永刚 1 刘 林 3 孙立军 1， 2 （1、 内蒙古平庄能源股份有限公司， 内蒙古 赤峰0240762、 内蒙古平庄能源股份有限公司老公营子煤矿， 内蒙古 赤峰024076 3、 赤峰市煤矿安全监控中心， 内蒙古 赤峰024076） 近年来， 国内外学者对综采工作面的顶板结构特征和矿压 显现规律进行了大量的理论研究[1-5]， 上分层开采后顶板来压一 般不明显， 但是对于软弱围岩分层开采工作面的矿压显现规律 研究相对较少。本文以老公营子煤矿软弱围岩分层大采高综采 面为基础， 通过理论分析和现场实测， 开展软弱围岩分层大采 高综采面矿压显现规律研究有助于矿井顶板灾害防治， 保证工 作面安全生产。 1 I05 （6）3 底分层工作面概况 I05 （6）3 回采工作面为 1 采区 5 煤层第六段三分幅， 工作 面埋深 272-328m， 工作面平均走向长 812m， 平均倾斜长 210m。 5 煤层属单一厚煤层， 煤层厚度 13.5m-15.5m， 平均厚度 14.5m。 本工作面开采下分层， 剩余煤层厚度平均 4.8m， 上方为 I05 （6） 2 工作面， 根据勘探线剖面图， 层间距平均为 2 米。 煤层含夹矸三层， 平均夹矸厚 0.4m。 含矸率为 21.69。 本工 作面煤层产状变化较大，工作面 D 剖面以外煤层总体趋势近 NS， 倾向总体趋势近 S。采终至切眼段煤层产状发生变化， 走向 由 WE 变化为近 NS， 煤层倾角变化不大， 煤层倾角最小 3， 最 大 6， 平均倾角 4， 煤层赋存较稳定， 以亮煤为主， 层理清晰， 结构复杂。 煤质硬度 f12， 容重 1.37t/m3。煤种为褐煤。煤层瓦 斯涌出量 0.065m3/min， 二氧化碳涌出量 0.548m3/min， 煤层自燃 发火倾向性二类自燃， 煤尘爆炸指数 43.14。 2 底分层工作面矿压监测方案 为及时掌握老公营子煤矿工作面回采期间矿压显现特征， 在 I05 （6） 3 工作面上、 中、 下区域布置 3 条测线， 每条测线布置 2 台 KJ21 顶板压力监测仪，分别监测 40、 50、 69、 79、 110、 120 液压支架， 每台顶板压力监测仪安装在 1 架状态良好的支 架上， 可以监控支架的左柱、 右柱的初撑力和工作阻力， 具体布 置方案如图 1 所示。 图 1 工作面矿压观测测站布置图 3 工作面矿压显现特征分析 3.1 工作面矿压观测情况 各支架压力分布曲线如图 2 所示， 通过分析可以看出支架 在初撑力打上以后， 支架阻力处于增阻状态， 支架压力超过额 定工作阻力后能及时卸载， 说明支架安全阀工作状态良好但有 些点支架初撑力过小， 支架支护性能没有充分发挥， 来压时工 作面压力较大， 支架处于急增阻状态。 摘要 基于老公营子煤矿软弱围岩大采高综采面开采条件， 采用理论分析和现场数据实测， 开展软弱围岩分层大采高综采 面矿压显现规律研究。研究结果表明 底分层工作面上中下位置周期来压步距相差不大， 来压时动载系数差距不大。分层开采顶 板矿压显现不剧烈， 支架基本满足该地质和开采条件下的支护要求。 关键词 软弱围岩； 分层开采； 矿压显现； 动载系数 中图分类号 TD323文献标识码A文章编号2096-4390（2020）26-0149-03 作者简介 李国志 （1974-） ， 男， 内蒙古赤峰市人， 硕士， 副高级工程师， 先后从事采矿设计、 生产、 管理等工作。 运输顺槽 灌 浆 巷 道 轨道顺槽 运输顺槽 灌 浆 巷 道 轨道顺槽 40 50 69 79 110 120 I0563工作面 （a） 40 支架 149-- 科学技术创新 2020.26 （c） 110 支架 图 2 工作面整架工作阻力曲线 3.2 工作面顶板来压分析 周期来压分析以支架的平均循环末阻力与其均方差之和 作为判断顶板周期来压的主要指标。数据计算的公式见式 （1） 和式 （2） 。 （1） （2） 式中 σp循环末阻力平均值的均方差， kN； n实测循环数； Pti各循环的实测循环末阻力， kN； Pt循环末阻力的平均值， kN。 顶板来压判据见公式 （3） 。 （3） 动载系数是表征工作面来压强烈与否的指标， 反映基本顶 垮落失稳的剧烈程度。 动载系数越大， 表明顶板来压越强烈。 基 本顶来压期间与非来压期间支架加权工作阻力平均值之比称 为动载系数。 （4） 式中 Ptc顶板周期来压期间，支架加权阻力平均值， kN； Ptn顶板非来压期间， 支架加权阻力平均值， kN。 各支架来压判据计算结果如表 1 所示。 表 1 支架周期来压判据 通过分析工作面各个支架循环末阻力及周期来压判据， 得 到各个支架周期来压期间的周期来压步距和动载系数， 将工作 面来压情况进行汇总， 如表 2 所示。 表 2 工作面来压情况统计 根据表 2 工作面上部周期来压步距平均为 12.2m，动载系 数平均 1.72； 工作面中部周期来压步距平均 10.8m， 动载系数平 均 1.79；工作面中部周期来压步距平均 11.5m，动载系数平均 1.74。表明 工作面上中下位置周期来压步距相差不大， 来压时 动载系数差距不大。 （b） 79 支架 2 1 1 n ptit i PP n s - 1 1 n tti i PP n ttp PPs tc tn P K P 循环末阻力/kN 支架序号 平均阻力 均方差 来压判据 40 3381.99 1365.01 4747.00 50 4054.37 1523.61 5577.98 79 2721.88 975.80 3697.68 110 3654.70 1263.48 4918.18 120 3530.97 1561.06 5092.03 40 79 110 序号序号 来压步距来压步距 /m 动载动载系数系数 来压步距来压步距 /m 动载动载系数系数 来压步距来压步距/m 动载动载系数系数 1 6.15 1.49 8.36 1.38 8.08 2.09 2 12.21 1.66 11.16 2.05 14.88 1.61 3 9.94 2.13 7.91 1.99 7.96 1.64 4 20.57 1.59 15.61 1.73 14.88 1.61 平均 12.2 1.72 10.8 1.79 11.5 1.74 150-- 2020.26 科学技术创新 （c） 110 支架工作阻力分布直方图 图 4 I05 （6）3 工作面支架工作阻力分布直方图 4 工作面支架适应性分析 4.1 来压时循环末阻力分析 整理分析工作面周期来压数据， 来压时支架循环末阻力最 大为 6724.93kN， 最小为 4074.93kN， 平均为 5476.40 kN， 没有超 过支架额定工作阻力 6800kN， 占支架额定工作阻力的 80.54， 支架基本满足该地质和开采条件下的支护要求。如图 3 所示， 工作面支架来压时支架循环末阻力平均值均低于 6500kN 以 下， 支架支撑压力仍然有较大的富余空间。但是， 工作面基本顶 周期来压时动载系数最大为 2.13， 最小为 1.38， 平均 1.83， 来压 时支架动载系数偏大， 工作面来压较为剧烈。 图 3 工作面支架来压时循环末阻力统计 4.2 支架工作阻力频率分布 支架工作阻力频率分布是根据支架的工作阻力在不同区 间的百分比来确定的，具体方法是划分 N 个区间（本次分析 N7， 单区间阻力范围 1000kN） ， 分别统计工作阻力在各区间所 占的百分比。理想的支架工作阻力频率分布图呈正态分布， 低 阻力和高阻力区间占比较小， 中间部分占比较大。 I05 （6）3 工作面支架工作阻力频率分布如图 4 （a） - （c） 所 示，支架工作阻力在各区间段的统计结果见表 3。可以看出， 40、 79、 110 支架工作阻力普遍集中在 3000kN 以下，支架在 低阻力区间占比 66.09， 正常阻力区占比 33.06， 高阻力区占 比 0.8。 在观测期间 5 个支架工作阻力均未超过额定工作阻力 6800kN。根据老公营子煤矿 I05 （6）3 工作面开采经验， 由于分 层开采顶板矿压显现不剧烈， 该状态下的工作阻力能够满足生 产的需要。 表 3 支架工作阻力频率统计表 （单位 ） 5 结论 5.1 老公营子煤矿软岩底分层工作面上 部周期来压步距平均为 12.2m， 动载系数平均 1.72； 工作面中部周期来压步距平均 10.8m， 动 载系数平均 1.79；工作面中部周期来压步距 平均 11.5m， 动载系数平均 1.74。工作面上中 下位置周期来压步距相差不大，来压时动载 系数差距不大。 5.2 老公营子煤矿来压时支架循环末阻 力最大为 6724.93kN， 最小为 4074.93kN， 没有 超过支架额定工作阻力 6800kN，支架基本满 足该地质和开采条件下的支护要求。 5.3 支架工作阻力普遍集中在 3000kN 以 下， 支架在低阻力区间占比 66.09， 正常阻力 区占比 33.06， 高阻力区占比 0.8， 分层开 采顶板矿压显现不剧烈。 参考文献 [1]宋振骐.实用矿山压力与控制[M].徐州 中国 矿业大学出版社，1988. [2]钱鸣高， 石平五， 许家林.矿山压力与岩层控 制[M].徐州 中国矿业大学出版社，2010. [3]郭放， 高保彬， 牛国庆， 等.近距离煤层煤柱 及采空区下综采工作面矿压规律研究[J].煤炭 科学技术，2017，45（5） 92-97，169. [4]张亮， 赵铁林， 郭英杰， 等.煤层群开采下部 煤层回采工作面矿压显现规律分析[J].煤炭技 术，2018，37（10） 81-83. [5]任艳芳.浅埋深近距离煤层矿压及覆岩运动 规律研究[J].煤炭科学技术，2015，43（7） 11- 14. 低阻力区 正常阻力区 高阻力区 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 区间 架号 1000KN 40 8.07 27.54 22.92 31.89 8.24 1.25 0.08 79 9.93 41.18 31.09 16.72 1.01 0.06 0.00 110 8.99 27.39 31.16 19.02 10.64 2.06 0.74 区间平均 66.09 33.06 0.85 （a） 40 支架工作阻力分布直方图 （b） 79 支架工作阻力分布直方图 151--