“三软”厚煤层综放开采架前冒顶的研究.pdf

i 。 ／◇ “ 三软” 厚煤层综放开采架前冒顶的研究 中国矿业大学北京研究生部 昊 堡 海戈 田楚华 郑州矿务局 米村矿 王志勤 高国 栋 T r 、 f 摘要 本文阐明了解袭 三软 厚煤层普遍存在的问题，井提出了解决了 三软 厚 ‘ 煤层工作 面顶扳控制主要问题的方法 实践证 明，谊方法教果显著，有助于使 。 三软 一 ， 笔 学、 ． ． 髂 哥 ， 很 煤 会 严 重 破 坏 。 概述 ．响 磊 三 长期以来， 三软 煤层工作面的机械化 开采受工作面地质条件限制，一直处于低 产 月产低于 3万 t 水平 ，效率低，成 本高，特别是 三软 厚煤层分层 开采时， 工作面及巷道底均为软煤，支架陷底 或 支柱插底 ，端面顶板 支架前方顶板及 煤壁 片帮均很严重，上下巷道顶底板移近 量 和两帮移 近量大 以及端 头支护不合理 需替棚 ’ ，上下出 口顶板破碎，维护困 难，严重影响工作面正常生产和安全。改 用放顶煤开采后，由于采用了强力过渡支 架，上下巷端头状况有所改善，但工作面 支架前方端面易 冒顶现象仍然存在，特别 是放顶煤开采后，松软煤在架前 冒顶极易 发生，处理费工费时，冒顶会随之继续扩 大和 发展 ，导致恶性 循环 ，严重 影响工作 面生产 。 1 9 9 2年 以来 ， 中国矿业 大学北京 研究生部在郑州矿务局米村矿以及其他矿 井对 三软 煤层放顶煤工作面控制架前冒 顶的机理及解决的措施进行研究和实践 ， 取得初 步成 果，加深 了认 识。 2 实际观 测及理论分析 观测表明放顶煤开采时，顶煤在煤 壁前方 3～l o re 即开始移动，如果顶煤强 1 O 矿 山 压 奇 与 项 艟 管理1 9 9 4 1 一 是顶煤及煤体的强度，二是煤壁前方支 承压力的强弱，三是支架的支撑特性。 三 软煤 层 开采 时 ， 由于 顶 板不 稳 定 ， 支架梁端与煤壁间的未支护区时常发生冒 顶；煤层较软，容易片帮； 由于含有大量 节理和裂隙的煤岩体，抗拉强度远低于抗 压强度，其抗拉性极差或根本不能承受拉 应力作用，未支护区顶板 冒落主要是 由于 拉应力 引起的。 图 1 所示是有限元方法算得前煤层强 度不同情况下的最小主应力分布 图 图中 正值表示拉应力，负值表示压应力 。其中 图 1 a 表示顶煤和煤体弹性模量较大的 一 般情况，图 1 b 表示煤层 ，尤其是煤 壁处的弹性模量较小时的情形。 由图 1 b 可以看 出，软煤 层开采 时，破坏区集 中在工作面周围的煤壁和无 立柱空间顶板中。此外，比较图 1 a 和 b 可以看出煤层特性对其最小主应力及 顶板 冒落和煤壁片帮的影响。随着煤层弹 性模量的降低，无立柱空间顶板中的拉应 力值增加，拉应力 区域范围加大井向煤壁 靠近 这就是三软煤 层开采 时，顶板 易 在工作面前方用木棚替换下巷道盒属棚 维普资讯 图 1 煤层特性对工作面稳定性的影响 a 煤体弹模较大． b 媒体弹模较小 于冒落、片帮严重的原因；而且愈软， 冒 顶片帮愈严重。当然 ，除了煤层弹性模量 对拉应力 的影响以外，软煤比坚硬煤层本 身抗拉能力差也是一个重要的原因。 随着工作面机械化水平的提高，长壁 工作面机道的无立柱空间宽度 日渐加大 ， 无立柱 空 间顶板 的挠 曲也 急速增 长， 图 2 是阳泉四矿 4 2 2 3 工作面的观测结果 图中 可以明显看出，由于综采工作面无立柱空 间较宽，无立柱空间顶板挠 曲是不可避免 的，图中 A、B曲线反映了这个规律，如 果机道再加宽 0 ．6 m，图中 C，挠曲度将从 。‘。 函 点 cm 、 、 、 、 、 、 图 2 阳泉一矿 4 2 2 3工作面顶板下沉图 A 一无立柱 空间为 I 8 m非周期来压时；B 一无 立柱 空问为 1 ． S m周期来压时I c 一无立柱空间为2 4 m时 b 1 ． 3 卜 1 _ 3 8急增至 1 ． 8 2 。 机道的直接顶挠 曲必然会使无立柱空 间直接顶内出现一个拉应力区，图 3 是用 有限单元法计算出的直接顶范围内的等应 力 图。 阴影 线 区域表示 拉应力 区，在无 立 柱空间上方顶板内的拉应力区对端 面冒顶 有直接影响，计算表明，对该拉应力区应 力值大小有影响的参数主要有 4个 一是 端面距 6 ；二是水平支撑力 P H ；三是垂直 支撑力 P ；四是合力作用点与煤壁之间的 距离 L 。这四个参数中端距 6的影响是首 位的，其他一些参数的交互作用影响也是 十分明显的 。 图 3 支架上方等应力线网 还可以从顶板 冒落的统计观察资料看 出端面距对控制顶板的作用。端面顶板 冒 落度 ％是随着端面距的增加呈非线性 函数增加的，当端面距较小时，对顶板的 影响较小 ，端面距增至一定距离后，冒落 将 急速增加，不 同顶板 有不同的相关 函 矿 山 压 方 与 强 托 管理1 9 9 4 1 l 1 维普资讯 数，相同顶板、不同的支护情况也会得到 不同相关函数，图 4所示为米村矿及阳泉 一 矿两个工作面顶板冒落度观察的曲线 图 4顶板 冒落 度与端 面距 关 系 1 一 米村矿 1 5 o l l工作 词 2 一 阳泉 一矿 1 I O 3工作 面 阳泉一矿 1 1 0 3工作面直接顶岩层稳定 性属中等偏下，当端面距为 0 ． 5 m时 ，端 面顶板 冒落度为 2 ． 5 ％，米村矿 1 5 0 1 1 工 作面的平均端面距如果同为 0 ． 5 m，端面顶 板平均冒落度高达 3 2 ． 4 ％，要想改善端面 顶板状况，使 冒落度也达 3 ％，端面距必 须控制在乎均 1 4 3 ram 左右，这只能采取 及时移架、全封闭顶板的措施才能做到 图 5 是用有限元数值方法计算所得撮 小主应力分布 图，图 中 a 所示为没有及 时移架 的情况，图中 b 表示及时移架 全封闭顶板的情形，其他条件完全相同对 比图 a 和 b 可知，及时移架，全封 闭顶 板可使 无立 柱空 间顶板 内 的拉应 力 区 缩小，甚至消除，从而有效地维护顶板的 安全 以上实验观 察 和理论 分析 给我 们的启 示是 1 松软顶板 或顶煤架前冒顶是 有其必然性的； 2 改善控制顶板的措施 ，应改善支 护性能 以增加无立柱空 间顶板 的稳定性， 改善措施磐须从图 2所示 4个参数人手； 图 5 顶 板内 的拉应 力区 分布 a 非 授时穆 架． 全封 闭 b 及 时移架 全封 闭 3 改善 4个支护参数首先考虑缩小 端面距。缩小端面距不仅取决于改善支架 结构，同时也和采煤机前滚筒割煤后立 即 移架等生产工艺的改善有关。 3 控 制方法 改善支架对顶板控制的能力是 三软 煤层工作面岩层控制的主要任务 我国目 l 2 旷 山压 力 与 境 饭 管 理1 9 9 4 怕 1 t b 前长壁工作 面液压支架的支撑能力一般都 很高 ，每 架支架支撑能力 支护宽度为 1 ． 5 m时很少低于 3 2 0 0 k N，支护强度在 0 ． 5 一 O ．7 5 MP a之间，根据经验 ，垂直支撑 有足够能力 ，只是往往因顶板破碎不能正 常发挥能力 为此，改善支撑主要应从改 善支架性能和充分发挥支撑能力两个方面 着手 。 维普资讯 南山矿厚煤层综放工作面矿压显现 鹤 岗 脯 生 坤 9 岁 摘要通过综采放顶煤工作面 的实际观测，了解了工作面矿 山压力变化情况，分 ‘ 析了顶扳压力’支袈工作阻力和韧撵力偏低的原 了存 --, 4 矿 篆 蛳 ’ 力 侈胎 ．盟国 睿 设 ， ／卫 徽 力 ⋯_． n ／ 及 采 空 区 各 设 一 台 输 送 机 ， 靠 煤 帮 使 用 采 区 情 况 简 介 篙 ’ 吕 至 姜 茹 薹 观测采区位于南 山矿西三区 l 8号层， 走 向 长1 5 0 m， 倾 斜 长 4 0 m， 放 煤 厚 1 2 m，煤层倾角 1 2 ～ 1 5。， 煤 质 较 软 ， f 0 ． 8 ～ 1 ． 2 ， 局部较硬，冒落后 出现大块 。煤层柱 状见 图 1 。 工 作 面 使 用 ZFS S A4 O O - 1 6／ 2 8 型支架 ，工作阻力 4 0 0 k N， 放 顶 口 在 掩 护 梁 上 ， 规 格 l 1 0 09 0 0 ram ，放 煤 口离底板 O ． 7 m。 自 色粗砂岩 5 O m 幡 色 蛔 移 告 、 ， n 3 tI l l 8 1 I 6．0 麓色细秒岩 2 ． 5 堡基． 一 吼6 震色细秒岩 ． 3 ． 5 1 『 l g -- Z L 6 ． 8 耗 色 鬟 麓 岩 ／ 『 ＼ 0 ． 1 8 2 【 5 ． 0 白色粗砂岩 7 5 工作面靠煤帮 图1 煤层柱状图 4 0型头 ，l 5 O型槽 。使用单滚筒 1 5 0 一型 采 煤 机 割 煤 ， 两 头 开 缺 口 ， 每 刀 进 度 0 ． 6 m， 采两 刀 一放 煤 ，每 次放 2个架 子 ， 每次放煤厚 5 ～6 m，一 般两次放完。 2 使 用仪 器及 测区布置 工 作 面 上 中部 及 下中 部设 两 个 测站 ， 使用八 台 YT L 一 6 1 0型圆图 自记 仪，2 4 h 连续记录支架工作阻力情况，并有专人跟 班测量支架立柱的活柱下缩量。 工作面支架的主要技术参数 Z F S S A 4 0 0 0 ／1 6 ／2 6插板式放顶煤液 压支架 支架 高度 1 ．6 ． - 2 ． 6 m；支 护强度 7 3 3 - 7 6 o k N／m ； 支 架 宽 度1 ． 4 3 -1 ． 6 m； 泵 站 压 力 3 1 - 3 6 MP a ； 初 撑 力 3 l 9 2 k N； 支架移动步距 6 0 0 mm 在“ 三软 煤层工作面所用支架必须具 有以下一些性 能 1 支架能及时前移 即先移支架后 推输送机 ，保持无立柱空间宽度和支撑合 力作用点与煤壁距离基本不变以保持对端 面顶板 的支撑力基本不 变； 2 采用整体顶梁、长侧护板、内伸 缩梁 的无 立柱空 间支护 方式 ，整 体顶粱 不 仅结构简单，重量轻，更重要的是可以保 证 支架 对端面 顶板有 较强 的支撑能 力和可 以配备长侧护板，长侧护板可基本伸至顶 梁前端，能有效防 止架间漏煤，移架后伸 出伸缩梁可全封闭端面顶板，采煤机经过 时伸缩粱可顺利缩回，伸缩动作时顶梁也 不需卸载 整体顶梁为控顶移架创造了有 利条件；片帮深度不大时，伸缩梁可继续 伸出，全封闭顶板；并向煤壁施加一定推 力 。 3 前柱应向前倾斜，使支架确较高 指向煤壁的水平工作阻力，以降低无立柱 矿 山压 力 与城板 管理1 9 9 4 怕 1 1 3 维普资讯