超长综放工作面覆岩关键层破断特征及对采场矿压的影响.pdf

第 2 2 卷第 l期 2 o o 3年 1 月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n dE n g i n e e r i n g 2 2 1 4 5 “4 7 J a n ． ，2 o 0 3 超长综放工作面覆岩关键层破断特征 及对采场矿压的影响女 缪协兴 中国矿业大学 钱鸣高 徐州2 2 1 0 0 8 蕾要 从模拟试验和现场实测发现随着综放工作面长度的增加，采场覆岩关键层的破裂块度将相应减小，因而采 场来压均匀，便于顶煤破碎和放出，但会发生主关键层来压现象，必须采取相应措施，将其加以有效控制。 关t词 、 采矿工程，超长综放工作面，采场矿压，关键层，主关键层来压 分类号T D 8 2 3 ． 4 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 - 6 9 1 5 2 0 0 3 o - 0 0 4 5 - 0 3 BRoKEN F E I 1 U RE oF KEY S TR ATA AND I TS I NFLUENCE oN RoCK P RES S URE I N S UP E1 LENGTH F ULLY ． M ECHANI ZED CoAL F ACE Mi a o X i e x i n g ，Q i a n Mi n g g a o C h i n a U n i v e r s i t yo f Mi n i n ga n d T e c h n o l o g y ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 C h i n a Al t r a c t I t i S f o u n d b y mo d e l e x p e r i me n t a n d fi e l d me a s u r e me n t t h a t wi t h t h e l e n g t h o ff u l l y - me c h a n i z e d c o a l f a c e 。t h e s i z e o f the b r o k e n b l o c k s of k e y s t r a t a i n the c o a l f a c e wi l l d e c r e a s e co r r e s p o n d ing l y，a n d thu s the r o c k p r e s s u r e in the f a c e i S mu c h we l l d i s t r i b u t e d ．T h i s i S g o o d f o r the t o p c o a l b r o k e n a n d c a v i n g co n v e n i e n t l y ． Ho we v ．e r ，the o v e r ly in g r o c k p r e s s u r e ofth e m a in k e y s t r a ta w i l l h a p p e n a eco r d in O y ． F u r th e r m o r e ，th e r e l e v a n t me a s u r e me n t smu s t b et a k e ne ffi c i e n t l yt o c o n t r o l thek e y s t r a ta f o r co al mi n i n g s a f e l y ． Ke ywo r d s mi n i n g e n g i n e e r i n g，s u pe r - l e n g t h ful l y - me c h a n i z e d c o a l f a c e ，r o c kp r e s s u r e i s c o a l f a c e ，k e y s t r a t a ， t h eo v e r l y i n g r o c kp res s u r eo f ma i nk e y s t r a ta 1 引言 综放开采技术在我国的发展已经历了 l O多年 的历史，经过深入研究和开发，综放技术已趋于成 熟，尤其是低位放顶煤技术，已成为我国厚煤层开 采高产、高效的主导技术【l J 。综放技术，利用割一 部分煤和放一部分煤来实现厚煤层一次采全高，并 能在一个工作面上实现多点出煤，其技术优势十分 明显。但是，与国外综采技术产量比较，虽然综放 技术在我国已经发挥出了一定的技术优势，但技术 优势的潜力还很大，如大幅度加长工作面长度，其 单产和效益还有望大幅度提高。 超长综放工作面的顺利快速推进要依靠有效的 采场矿压控制P l 为基础。 大家知道， 采用综放开采， 一 次采 出厚度大，采场覆岩活动强烈，如果大幅度 增加其工作面长度， 必将引出一系列的矿压新问题。 在这方面的研究中，以采动覆岩的关键层理论 4 】 为基础，从相拟材料模拟试验、现场矿压观测与控 制实践等方面，研究超长综放工作面覆岩关键层破 断特征及对采场矿压的影响。 2 相拟材料模拟试验及分析 我国第一个超长综放工作面工业性试验选在潞 安矿区王庄煤矿， 4 3 2 6 超长综放工作面， 其面长达 2 0 0 1年 2月 9日收到初稿 ．2 0 0 1年 4月 l 5日收到修改稿． 国家 自然科学基金重点资助项 5 0 1 3 4 0 4 0 和博士点基金资助课题 2 0 0 1 0 2 9 0 0 0 3 ． 作者 缪协兴 简介男。4 2岁。博士。现任中国矿业大学理学院教授、博士生导师．主要从事工程力学和岩石力学与工程方面的教学与科研工作． 维普资讯 ． 4 6 ． 岩石力学与工程学报 2 0 0 3 年 2 7 0 m，是 目前世界上最长的综放工作面。 运用采动覆岩关键层 的判别方法和程序得到， 王庄煤矿 4 3 2 6超长综放工作面的主关键层距地表 1 4 5 ． 4 m，距煤层 4 6 ． 5 m，为砂岩层，厚度为， 8 ． 6 m。 运用关键层理论对 4 3 2 6超长综放工作面覆岩关键 层破断规律分析知， 布置普通长 1 8 0 m和超长2 7 0 m 工作面其破断特征有明显不同，见图 l 。图 1 分别 是 1 8 0 m长工作面和 2 7 0 m长工作面覆岩关键层的 四周固支板结构的采动破裂模拟试验结果的照片。 图 l 中可以看到，模拟 2 7 0 m长工作面关键层破碎 块度明显小于 1 8 0 m长工作面情况 ，并且周期性破 断沿工作面方向出现不同步现象，而 1 8 0 m长情况 基本是同步的，两者平均周期破断距之比约为 7 l l 。根据同样推进距范围内两种情况的关键层破碎 块度数统计，长者与短者关键层的破碎块数之比约 为 3 l 。也即 2 7 0 m长综放工作面覆岩的关键层 破碎率约为 1 8 0 m长综放工作面覆岩破碎率的 3倍 左右。覆岩关键层破碎块度小，即采场来压强度小 且均匀 。 【 I 模型 l ，面长 1 8 0 m b 模型l l ，面长2 7 0 m 图 l 采场覆岩关键层破断对比试验 Fi l Co mp s r i n t e s t o n b rok e n b e h a v i o r s o f k e y s t r a t a i n c o a l f a c e 鉴于上述试验现象 ，可 以得到如下结论 1 超长综放开采，由于顶板和关键层破碎块 度小于普通开采，一般采场矿压显现程度将小于普 通开采。但是，由于工作面长且顶板破碎块度小， 周期来压步距短，沿工作面方向来压不同步，将造 成生产期间工作面上始终有区段存在周期来压，使 工作面矿压和生产管理一直处于紧张状态。 2 由于超长综放 工作面开采顶板破碎块度 小，周期来压步距短，因此在工作面推进期间，支 架受力将较为均匀，便于破碎顶煤，因而可提高顶 煤的冒放性和回收率。与短工作面情况比较，这里 的支架受力均匀是指支架长期处于工作面来压影响 状态，因而顶煤不断处于较强受压状态，破碎状况 好。 ， 3 在采深较浅的情况下，布置超长综放工作 面会造成采动覆岩主关键层的剧烈运动，引起采场 来压和地表大幅度快速沉陷同步出现，即采场出现 主关键层来压现象。此时，如采动覆岩砌体梁结构 出现滑落失稳 S型失稳 ，必将造成采场矿压事 故。因此，超长综放工作面开采必须对主关键层来 压实施有效控制 。深部的岩层移动和地表沉陷分析 表明，在与王庄煤矿 4 3 2 6工作面同样的开采条件 下，工作面长 2 5 0 m后将出现主关键层来压现象。 3 采场矿压显现规律及控制 在王庄煤矿 4 3 2 6 超长综放工作面回采期间， 对 采场矿压显现进行了较为系统的观测。测试主要利 用了 K GJ - B 自动化监控系统和围岩活动深孔观测 及支架工况观测等手段。 现场实测表明，超长综放工作面开采，采场老 顶来压，即一般意义下的采场来压强度较小。初次 来压步距为2 1 ．8 “2 5 ．0 m，沿工作面方向不同步， 老顶破断成多块垮落。 周期来压步距为 8 ．4 ～1 2 ．7 m， 沿工作面方向明显不同步，加之采场顶板受断层切 割影响，工作面在推进期间一直有区段处于周期来 压状态。 与预计分析基本一致， 当工作面推进8 4 ．5 m 时，发生主关键层来压现象，地表和工作面同时受 主关键层来压产生剧烈影响。此时，地表出现明显 裂缝，最大下沉处达0 ．9 2 m， 超前影响5 5 m，影响 角 7 7 。 ，最大下沉点的下沉速度达 1 0 0 m m ／ d 。 关键层来压时的支架动载系数明显高于周期来压时 的支架动载系数，具体对比情况见表 l 。主关键层 来压与周期来压的动载系数之比为 l 0 ． 7 7 。 裹 l 工作面支架来压时的动载系数 T a b l e l Dy n a mi c c o e f fi c i e n t s d u r i n g we i g h t i n g 『 ．i ⋯ 维普资讯 第 2 2 卷第 l 期 缪协兴等． 超长综放工作面覆岩关键层破断特征及对采场矿压的影响 4 7 裹 2 4 3 2 6工作面支架的工作状态 T a b l e 2 Wo r k i n g r e s i s t a n c e o f s u p p o r t s i n c o a l f a c e 4 3 2 6 架号 ⋯ 最 蒹 作 ⋯加 戆 作 工作面支架沿工作面长度方 向受力 k N／ 架 的 分布见表 2 。由表 2 可见，开采初期，4 3 2 6超长综 放工作面支架的实际初撑力偏低，其主要原因为超 长综放工作面老顶破碎块度小，相对支架动载系数 就小。另外，工作面长度加大以后，泵压损失较大 和支架工作状况不是很好，串液、漏液现象严重。 当发现这种现象后，及时调整了泵站布置及对支架 阀组系统进行了检修，提高了支架的初撑力。 从循环末阻力和时间加权阻力的数据得到， 4 3 2 6超长综放工作面所选用的 Z Z P 4 8 0 0 ． 1 7 ／ 3 3 F型 放顶煤液压支架的工作阻力基本满足要求。当覆岩 主关键层破断时。工作面个别支架安全阀开启，达 到额定工作阻力值，但绝大部分支架的工作阻力还 没有达到额定值。 另外，在开采初期，支架前柱压力均大于后柱 压力，平均大于后柱 6 4 ． 8 ％，支架前后柱压力很不 均匀，对于这种现象，也必须及时调整支架控制措 施 。 综 合 现 场 实 测 的 分 析 结 果 可 以 得 到 ， Z Z P 4 8 0 0 - 1 7 ／ 3 3 F 型放顶煤液压支架基本适用于 4 3 2 6 超长综放工作面整层放顶煤开采， 但主关键层 来压时部分支架受力较大，必须加强对主关键层来 压时的支架工作状态监控。针对工作面加长以后， 液压管路的损失较大，再加上工作面中部支架阀组 损坏较多，支架串液、漏液现象比较严重，造成工 作面实际初撑力较低。带来煤壁片帮和端面冒项等 一 系列问题，采用的具体技术措施为除对损坏支 架进行及时检修外，对乳化液供液方式进行了重大 改造。 将工作面支架分成上下两组， 增加一台泵站， 分别对两组支架采用双泵双回路供液。 经过改造后， 支架初撑力 1 ／ 架 的值有了很大的提高， 如表 3 所 示。当支架初撑力提高后，彻底控制了端面冒项和 片帮及工作面顶板下沉量，解决了超长综放工作面 顶板的控制问题。 裹 3 泵站供液系统改造前后支架初撑力的对比 T a b l e 3 Co mp a r i s o n o f s e t t i n g p r e s s u r es b e f o r e a n d a f t e r t r a n s f o r mi n g p u mp s y s t e m心 ， 架 支架号8 6 6 8 6 1 2 9 1 6 6 平均值 改造前 9 6 9 1 0 9 6 ． 8 I 1 0 8 ． 2 1 0 8 4 ． 2 21 8 2 ． 6 I 2 8 8 ． 2 改造后2 5 0 3 ． 7 2 7 l 1 ．4 2 7 2 9 ． 5 29 6 4 ． 3 31 4 2 ． 1 2 8 1 0 ． 2 提高率2 5 8 ． 4 ％2 4 7 ． 2 ％2 4 6 I3 ％2 7 3 ．4 ％ 1 4 4 ％ 2 1 8 ． 1 ％ 4 结语 超长综放工作面生产实践证明，布置超长综放 工作面能使综放单面单产和效益成倍增长。当然， 同时也引起了一些采场矿压及安全方面的新课题， 在推广普及这项新技术时必须研究清楚和加以有效 控制。本文研究表明，超长综放工作面采场覆岩关 键层破碎块度较普通短工作面小。由此 ，一方面， 使采场来压强度小。且压力分布均匀，有利于顶煤 破碎和放出另一方面，会出现覆岩主关键层来压 现象，必须加强预测、预报和有效控制。 参 考 文 献 l 朱光亚．中国科学技术前沿I M】 ． 上海上海教育出版社．1 9 9 8 2 钱鸣高．刘听成． 矿山压力及其控制咖 ．北京煤炭工业出版社． 1 9 8 4 3 钱鸣高．缪协兴． 许家林等 岩层控制的关键层理论咖 】 ．徐州中 国矿业大学出版社，2 0 0 0 4 缪协兴．钱鸣高． 采动岩体的关键层理论研究新进展册．中国矿业 大学学报．2 0 0 0 ．2 9 1 2 5 2 9 5 钱鸣高．缪协兴．采场砌体粱结构的关键块分析【 J 】 ． 煤炭学报． 1 9 9 4 ．1 9 6 5 5 7 5 6 3 维普资讯