浅埋煤层大采高工作面矿压显现规律及支架适应性.pdf

第3 9 卷第1 期 2 0 1 1年 1月 煤 炭 科 学 技 术 Co a l S c i e n c e a nd T e c hn o l o g y Vo 1 ． 3 9 No ．1 J a n ． 2 0 1 1 浅埋煤层大 采高工作 面矿压显现规律及支 架适应 性 崔廷锋 ，张东升 ，范钢伟 ，姜玉超 。 ，王晓智 1 ．中国矿业大学 煤炭资源与安全开采 国家重点实验室 ，江苏 徐州2 2 1 0 0 8 ；2 ．冀中能源邯郸矿业集团 陶二矿 ，河北 邯郸0 5 6 0 0 2；3 ．鸡西矿 业集团有 限责任公 司，黑龙江 鸡西1 5 8 1 0 0 ；4 ． 中煤能源集团有限公 司 工程建设部 ，北京1 0 0 1 2 0 摘要为研究浅埋煤层大采高工作面矿压显现规律及支架适应性情况，采用 K B J 一 6 0 I I I 一 1型综采 支架工作阻力连续记录仪对酸刺沟煤矿首采工作面进行实测分析。结果表明工作面初次来压步距 5 2 in ，与理论计算结果 5 4 ． 1 in基本吻合；周期来压步距随工作面推进速度的增大而增大，工作面 推进速度为 4 m／ d 、1 3 m ／ d时，周期来压步距分别为 1 2 ． 8 m、2 1 。 8 in；来压期 间；工作面 中部支 架工作 阻力大，达到额定工作 阻力支架的 比例达 9 6 ％；工作面两端支架工作 阻力小，不超 过额定 工作阻力的支架 比例达 9 1 ％。最后根据支架运行特性分析，论证 了所选用 的 2 4 0 0 ／ 5 0 0 0 - 2 x 4 4 1 2 1 7 5 0型液压支架可以满足来压期间的顶板岩层控制要求。 关键词 浅埋煤层 ；大采高；矿压观测；支架适应性 中图分类号 T D 3 2 3 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 1 1 O 1 - 0 0 2 5 - 0 4 M i ne Pr e s s u r e Be h a v i o r La w a nd Po we r e d Su pp o r t S ui t a b i l i t y o f Hi g h Cu t t i ng Co a l M i n i ng Fa c e i n S h a l l o w De p t h Se a m CU I T i n g f e n g ’ ，Z HANG D o n g s h e n g ，F AN Ga n g we i ，J I ANG Yu c h a o ’ ，WANG Xi a o z h i ’ 1 ．S t a t e K e y L a b ofC o a l R e s o u r c e s a n d S a f e t y Mi n i n g， S c h o o l ofMi n i n g E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y of Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a；2．T a o ’e r Mi n e，J i z h o n g En e r g y Ha n d a n C o a l Mi n i n g G r o u p，Ha n d a n 0 5 6 0 0 2，C hi n a；3 ．J i x i Co a l Mi n i n g G r o u p，J i x i 1 5 81 0 0，Ch i n a； 4 ．E n g i nee r i n g a n d C o n s t r u c t io n D e p a r t m e n t ，C h i n a N a t io n a l C o a l G r o u p C o r p o r a t i o n L t d ． ， B e ij i n g 1 0 0 1 2 0，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s t u d y o n t h e mi n e p r e s s u r e b e h a v i o r l a w a n d t h e p o we r e d s u p p o r t s u i t a b i l i t y s i t u a t i o n o f t h e h i g h c u t t i n g c o a l mi n i n g f a c e i n t h e s h a l l o w d e p t h s e a m，t h e KB J 一 6 0 I I I 一1 t y p e wo r k i n g r e s i s t a n c e c o n t i n u e d r e c o r d e r o f t h e p o we r e d s u p p o r t w a s a p p l i e d t o t h e s i t e me a s u r e me nt a nd a n a l y s i s o n t h e fir s t c o a l mi ni n g f a c e i n S u a nc i g o u Mi n e ．The r e s u hs s ho we d t ha t t h e mi n e i ni t i a l pr es s uriz e d di s t a n c e o f 5 2 m o c c u r r e d i n t h e c o a l mi n i n g f a c e wa s b a s i c a l l y fi t wi t h t h e t h e o r e t i c a l c alc u l a t i o n r e s u l t s o f 5 4 ． 1 m；t h e p e r i o d i c al p r e s s u r i z e d d i s t a n e e w o u l d b e i n c r e a s e d w i t h t h e mi n i n g f a c e a d v a n c i n g s p e e d i n c r e a s e d a n d w h e n t h e c o a l mi n i n g f a c e a d v a n c i n g s p e e d r e a c h e d a t 4 m／ d a n d 1 3 m／ d ，t h e p e r i o d i c a l p r e s s u r i z e d d i s t a n c e wo u l d b e 1 2 ． 8 m a n d 2 1 ． 8 m i n d i v i d u a l l y；d u rin g t h e p r e s s u r i z e d p e ri o d，t h e w o r k i n g r e s i s t a n c e d i s t ri b u t i o n f e a t u r e s o f t h e p o w e r e d s u p p o r t s wo u l d h a v e h i g h r e s i s t a n c e s a t t h e mi d d l e p a rt o f t h e c o a l mi n i n g f a c e a n d t h e r a t e d wo r k r e s i s t a n c e r a t i o wo u l d be 9 6％ ，t h e wo r k r e s i s t a nc e s o f t h e p o we r e d s u pp o rts a t t h e t wo e nd s wo ul d be l o w a n d wo u l d n o t be o v e r 91 ％o f t h e r a t e d wo r k r e s i s t a n c e r a t i o ．F i n a l l y ．b a s e d o n t h e a n aly s i s o n t h e o p e r a t i o n f e a t u r e s o f t h e p o we r e d s u p p o r t ．t h e p a p e r c o n fir me d t h a t t he 2 40 0 ／5 0 00 2x4 41 2 1 7 5 0 t y p e h y d r a u l i c p o we r e d s u p po r t c o u l d me e t t h e r e q u i r e me n t s o f t h e r o o f s t r a t a c o n t r o l d u r i n g t he pr e s s u riz e d pe rio d． Ke y wo r d s s h all o w d e p t h s e a m ；h i g h c u t t i n g ；mi n e p r e s s u r e o b s e r v a t i o n；p o w e r e d s u p p o r t s u i t a b i l i t y 我 国西部地区蕴藏着丰富的浅埋煤层 ，赋存条 件好 ，煤层厚度大 ，因此多数采用大采高一次采全 r 1 1 ● 厚的开采方法 。大采高一般开采高度在 3 ． 5 in以 基金项 目中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室 自主 研究课题资助项 目 S K L C R S MO 8 X 0 2 ；国家 自然科学基 金青年 基 金资助项 目 5 0 9 0 4 0 6 3 ；中 国矿业 大 学青 年科研 基 金 资助 项 目 2 0 0 8 A 0 0 3 、2 0 0 9 A O 0 1 上 ，垮落带及断裂带的范围远大于同厚煤层分层开 采相应的范围，加之浅埋煤层特殊的顶板结构 ，因 而大采高开采采场矿压显现及控制、覆岩运动都有 其新的特点 。由此带来 的支架围岩系统控制和 液压支架配套选型及其适应性值得关注。随着我国 煤炭资源开采 的战略转移 ，自2 0世纪 9 0年代初至 今 ，我国学者针对浅埋煤层矿压规律进行了大量的 研究 l 3 ，并取得了一定的成果 ，但 由于研究仍然 25 2 0 1 1 年第1 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 9 卷 处于初步阶段 ，特别是对于大采高工作面的来压规 律及支护阻力确定等方面对工程实 践的指导力不 强。年生产能力 1 2 0 0万 t 的酸刺沟煤矿的首采面 为 1 1 0 3工作面，针对其顶板来压规律和支架适应 性 的研究 ，不仅对该矿区以后的安全高效开采提供 理论支持和经验借鉴 ，同时也为浅埋煤层大采高工 作面的矿压显现规律及工作面支架设计提供依据 。 1 工作面概况 1 地质条件 。酸刺沟煤矿 1 1 0 3工作 面位于 6 煤层 ，处于石 炭系上 统太原 组第二 岩段上部 ， 煤层顶底板赋存条 件见表 1 。工作 面长度 3 0 0 m， 推进长度 1 5 0 0 m。6 煤层结构简单 ，煤类单一 ， 整个工作面煤层稳定 ，平均厚度 5 ． 1 m；煤层倾角 0～ 3 。 ，普氏系数．厂 2 ． 5，密度 1 ． 2 8 g ／ e m。 ；煤层 埋深 8 0～1 2 0 r n 表 1 煤层赋存条 件 层号 岩性 厚度／ m 层号 岩性 厚度／ m 1 粗粒砂岩4 ． 8 4 6 f 煤 5 ． 1 2 细砂岩 6 ． 0 5 砂 质泥岩 2 ． 2 3 砂质泥岩 3 ． 0 6 中砂 岩 5 ． 0 2 生产概况。工作面开切 眼宽 7 ． 7 m；采用 7 L S 6 一 L S W6 2 0型双滚筒采煤机割煤 ，采高 4 ． 5 m， 循环进尺 0 ． 8 5 I T I ；采用 2 4 0 0 ／ 5 0 0 0 2 4 4 1 2 1 7 5 0 型二柱掩护式液压支架 ，额定初撑力 5 0 6 7 k N，额 定工作阻力 8 8 2 4 k N，支护宽度 1 ． 7 5 1 T I ；工作 面 最小控顶距 4 ． 8 3 m，最大控顶距 5 ． 6 9 m；工作面 采用一次采全高采煤方法 ，全部垮落法顶板管理。 2来压步距理论计算 6 ’ 。 ] 1 基本顶初次来压步距计算。1 1 0 3工作面为 首采工作面 ，四周岩体均未受扰动破坏，处于原岩 应力状态，比较完整。因此在计算基本顶初次来压 步距 ， J 时可 以将基本顶作 为固定 梁 ，来压步距采 用式 1 计算为 L 1 式 中 h为基本顶厚度 ，据地质资料 ，取 6 m；R 为基本顶的抗拉强 度 ，据地质资料 ，取 5 ． 5 MP a ； q为 单位 面 积基 本 顶 的 载荷 ，其 计算 如 下 q 9 ． 8 h y 1 ． 3 5 2 1 0 为基本顶岩石密度 ，取 2 ． 3 1 0 k g ／ m 。将 各参数数值 代入式 1 ，计 算得 2 6 L 54 ．1 m 。 2 基本顶周期来压步距计算 。基本顶初次垮 落后 ，原岩应力状态被破坏 ，此时基本顶可作为悬 臂梁 ，基本顶周期来压步距 采用式 2 计算 L h R t ／ 3 q 2 将各参数代人式 2 ，计算得 L 2 2 ． 1 m。 3工作面矿压观 测 3 ． 1 矿压观测方案 在工作 面总共 1 7 5架支架 中选取 1 4架 安设 K B J 一 6 0 1 1 1 1综采支架工作 阻力连续记录仪 ，分 3 个测 区布置 ，测 区及支 架编号 分别为 测 区 I 4 号 、1 7号 、3 0号 、4 3号架 ，测 区 Ⅱ 5 6号 、6 9 号 、8 2号、9 5号 、1 0 8号、1 2 1号 架 和测 区 Ⅲ 1 3 4号 、1 4 7号 、1 6 0号 、1 7 3号架 ，如 图 1所 示 。记录仪显示的支架压力读数 ，结合工作面的各 种矿压显现特征 ，并参照来压步距理论计算 ，确定 初次来压步距和周期来压步距 ，掌握工作面推进过 程 中顶板活动规律。 I H I 为测 区 编号 图 1 工作面测 区布置 3 ． 2矿压实测结果 在前期推进过程 中，受 到各方面 因素的制约 ， 推进速度一直相对缓慢 ，采煤机每天仅推进 4刀左 右 。随着操作水平的提高 、设备的完善 ，后期推进 较正常，每天推进 1 6刀左右。根据工作面推进速 度 的变化 ，本次矿压观测大体分为 3个阶段。 1 工作 面初次来压 。当 1 1 0 3工作面推进至 5 2 I n 左右 时，根据 现场 的观测 ，局部煤壁 出现 片 帮 ，并伴有剧烈的岩石断裂声 ，工作面部分地区出 现淋水 ，记录仪反应 的支架压力普遍升高 ，一般在 7 5 0 0～ 8 8 0 0 k N，最 大值 可达到额定工作 阻力 的 9 9 ． 9 7 ％。由此可以断定 工作面初次来压 ，来 压 步距约 为 5 2 1T I ，此值 与 理论计 算初 次 来压 步距 5 4 ． 1 m非常接近，因此可以作为初次来压步距。 2 工作面前期推进期间周期来压情况。此阶 段观测从初次来压开始到工作面推至 2 0 6 1 1 3 结束 ， 崔廷锋等 浅埋煤层 大采高工作面矿压显现规律及支架适应性 2 0 1 1 年第 1 期 共观测到周期来压 1 2次。此 阶段工作面推进速度 较慢 ，平均为 4 m ／ d ，速度变化不大 ，因此周期来 压呈现出相对稳定的规律。根据现场实测 ，周期来 压期间工作 面局部都会出现煤壁片帮现象 ，并伴有 淋水和不问断的岩石破断声。液压支架工作阻力平 均值为 8 2 4 0 k N，为额定值 的 9 3 ． 4 ％。来 压步距 一 般在 1 0 ． 0～1 4 ． 5 m，平均 1 2 ． 8 m左右 。此 阶段 测得周期来压步距与理论计算值相差较大。 3 工作面后期推进周期来压情况。此 阶段观 测从距工作面终采线 2 0 0 m开始至终采线结束 ，共 观测到周期 来压 9次 。此 阶段 工作面推进 速度较 快 ，平均约 1 3 m ／ d ，速度变化不大 ，周 期来压 同 样呈现出稳定的规律 。根据记录仪记录的支架压力 数据 ，来压期间工作面支架压力符合一定规律 ，支 架阻力平均值 8 2 8 5 k N，为额定值 的 9 3 ． 9 ％。来 压步距一般为 1 9～2 3 I n ，平均 2 1 ． 8 m。此阶段测 得周期来压步距与理论计算值 2 2 ． 1 m十分接近。 4工作面来压 规律 分析 1 推进速度对周期来压步距 的影响。通过对 1 1 0 3工作面前后 2个时期观测所得 到的周期来压 互 ＼ H o o o 5 0 0 o o o 5 0 0 o o o 5 0 0 o o o 支架编 号 f a 初次来压 互 ＼ H 0 0 0 5 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 5 0 0 0 00 步距不难 看 出，推进 速度对周 期来压步距 影响很 大。分析其原因，随着工作面的推进 ，顶板岩层处 于破坏一稳定一再破坏一再稳定的循环过程 中，根 据前面分析 ，初次来 压后基本顶处 于悬臂梁状 态 ， 开采后基本顶 的垮落是一个力与时 间的积累过程， 加快推进速度即缩短了各生产工序的时间间隔，减 少 了基本顶垮落的时间效应 ，从而使周期来压步距 增大 ，但 由于基本顶悬 臂长度 也 同时变大 ，从 而使后期周期来压强度有所增加 。 2 工作面倾 向支架工作 阻力变化规律。1 1 0 3 工作面为近水平工作面 ，观测过程中发现来压期间 工作面倾向各支架工作阻力存在较大差异 。分析沿 工作面方向的矿压显现规律 ，对于工作面顶板管理 具有重要意义。本文选取初次来压及 2次周期来压 期间沿倾 向各支架工作阻力进行分析 ，其变化规律 如图 2所示。由图 2可以看 出，无论是初次来压还 是周期来压 ，沿工作面方向支架工作阻力有明显的 规律性 ，总体特征是工作 面中部支架工作阻力大， 达到额定工作阻力的 9 6 ％ ，两端 支架工作阻力小 ， 一 般不超过额定工作阻力 的 9 0 ％ ，最大值 出现在 中部。 支架编 号 b 前期周期来压 图2 支架阻力沿工作面分布规律 5 支 架运行特性及 其分析 5 ． 1 支架工作阻力理论计算 m 工作面采用 2 4 0 0 ／ 5 0 0 0 2 4 4 1 2 1 7 5 0型二柱 掩护式液压支架 ，额定初撑力 5 0 6 7 k N，额定工作 阻力 8 8 2 4 k N。为论证支架选型的合理性 ，结合工 作面顶板岩层条件 ，对支架工作阻力做理论计算。 1 载荷估算法 。估算法认为支架承受载荷 P 为 4～ 8倍采高 的岩层质量 ，即 P1 9 ． 8 4 ～8 My L L 0 3 其 中 为上覆岩层密度 ，取 2 ． 3 1 0 k g ／ m ； ￡ ⋯为最大控顶距 ，取 5 ． 6 9 m；L 。 为液压 支架支护 宽度 ，取 1 ． 7 5 m。考虑最大支 护阻力 ，取 8倍 采 至 ＼ 翻 H o o o 5 0 0 o o o 5 0 0 o oo 5 00 o oo 支架编号 c 后期刷期来压 高，将各参数代人式 3 ，计算得 P 8 0 8 0 k N。 2 实测统计法。经过我 国近 3 0年来 的实测 统计 ，由原煤炭工业部发布列为国家煤炭行业标准 的综采支架支护阻力 P 计算公式为 尸 2[ 7 2 ． 3 M 4 ． 5 7 8 ． 9 ， J 一 1 0 ． 2 4 N 一6 2 ． 1 L ⋯L 。 ] ／ K 4 式中L 。 为周期来压步距 ，取 2 2 ． 1 m；N为直接顶 厚度与采高之 比，取 0 ． 6 6 7 ；K s 为液压支架支撑效 率 ，取 0 ． 9 2 。将各参数代人式 4 ，计算得 P ， 8 71 0 kN。 5 ． 2支架工作 阻力频率分布直方图 根据支架阻力连续记录仪记录的数据，绘制出 支架初撑力及工作阻力的频率分布直方图 图 3 。 27 2 0 1 1 年第1 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 9 卷 4 0 3 0 2 o 羞 1 0 0 1 ＼ 丑 l Ⅱ 2 9． 6 一 。 ． ． 。 呈 8 ． 2 ]。 初撑 力／ k N a 初撑力 工 作 阻力 ／ k N b 工作阻力 图5 液压支架初撑力和工作阻力频率分布直方图 由图 3 a可 以看 出，支架 实测初撑 力分 布 以 3 0 0 0 5 5 0 0 k N为主 ，占9 5 ． 6 ％ ；达到额定初撑 力 8 0 ％的支架约 占7 5 ． 6 ％ ，仍有约 2 4 ． 4 ％的支架 不能满足初撑力要 求 ，说 明部分 支架升架时 间过 短 ，操作工艺不完善 ，造成支架未达到额定初撑力 的要求。由图 3 b可以看 出，支架实测工作阻力分 布以 6 5 0 0 8 8 0 0 k N为主 ，占 8 3 ％ ；非来压期 间 支架工作阻力平均值为 6 8 8 5 k N，达支架额定工作 阻力的 7 8 ． 0 ％ ，说 明支架可 以满足非来压期 间顶 板控 制 要求 ；来 压 期 间支 架 工作 阻 力平 均 值 为 8 2 7 5 k N，达支架额定工作阻力的 9 3 ． 8 ％ ，说明所 采用支架可以适应来压期间的顶板岩层控制 。 6 结 论 具有明显 的初次未压和周期来压。初次来压可 以依据理论公式计算得 出，而周期来压步距则与工 作面推进速度密切相关 ，工作面推进速度越快 ，则 周期来压步距越大。沿工作面方向各支架工作阻力 变化较大 ，表现为中部大 ，两端小 ，最大值出现在 中部。工作面非来压期间支架工作阻力及来压期间 支架工作阻力 ，均小于支架额定工作阻力 ，说明通 过理论计算所选支架可 以满足顶板 岩层控制 的要 求 ，支架选型合理。 参考文献 [ 1 ] 弓培林 ，靳钟铭．大采高 采场覆 岩结构 特征及运 动规律 研 究[ J ] ．煤炭学报 ，2 0 0 4 ，2 9 1 7 - 1 1 ． 2 8 刘长友 ，曹胜根 ，方新秋．采 场支架 围岩关 系及其监 测控 制[ M] ．徐州 中国矿业大学 出版社 ，2 0 0 3 ． 卢鑫，张 东升 ，范钢 伟 ，等．厚砂 层薄基 岩浅埋煤 层矿 压显现规律研究[ J ] ．煤矿安全 ，2 0 0 8 ，3 9 9 1 O 一 1 2 ． 宋选 民，顾铁风 ，闰志海．浅 埋煤层 大采高工 作面长 度增 加对矿压显现 的影响规律研究[ J ] ．岩石力学 与工 程学报 ， 2 0 0 7，2 6 1 6 4 0 0 7 4 0 1 2 ． 高 登彦 ．厚基 岩浅 埋 煤层 大采 高 长工 作 面矿压 规 律研 究 [ D] ．西安 西安科技大学 ，2 0 0 9 ． 黄 庆 享．浅 埋 煤 层 长 壁 开 采 顶 板 结 构及 岩 层 控 制 研 究 [ M] ．徐州 中国矿业大学 出版社 ， 2 0 0 0 ． 钱鸣高 ，石平五．矿山压力与 岩层控制 [ M] ．徐 州 中国 矿业大学 出版社 ，2 0 0 3 ． 封金权，张东升，王旭锋，等．土基型浅埋煤层矿压显现 规律实测与分析[ J ] ．煤矿安全 ，2 0 0 8 ，3 9 1 9 0 9 4 ． 张东升 ，范钢伟 ， 刘玉德 ，等．浅埋煤层 工作面顶板裂 隙扩 展特征数值分析 [ J ] ．煤矿安全 ， 2 0 0 8 ， 3 9 7 9 1 - 9 3 ． 徐 永 圻． 采 矿 学 [ M] 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