综采工作面矿山压力显现特征研究

严孝文

摘要:由于厚硬顶板采场的矿压显现比较剧烈,顶板悬露面积大,顶板垮落时容易产生冲击气流和推垮型事故,因此掌握厚硬顶板采场矿山压力基本规律,针对性的有效控制,是采场安全生产、消除重大顶板事故的关键。本文通过现场实测液压支架阻力、顶板垮落特征来确定工作面矿压显现基本规律,对工作面的顺利回采提供帮助。

关键词:综采工作面 坚硬顶板 矿山压力显现 支架适应性

1 工作面概况及测点布置

1.1 工作面的地质构造特征 1117(1)工作面由一宽缓的背斜和向斜组成,其轴部近似东西方向,根据掘进资料,工作面小断层和层滑特别发育,整个工作面掘进过程中共揭露正断层34条,逆断层3条,这些小断层不仅破坏煤层的连续性,而且使工作面出现煤层变薄区。工作面走向长2613m,倾斜长240m。煤层倾角3°～10°,平均5°,煤层赋存总体比较稳定,煤厚0.3～3.4m,平均2.47m,受构造影响地段,煤层厚度变化较大。地面标高为+23.1m～+24.03m,工作面标高为-801.9m～-686.02m。井下位于北一采区中部,北为F87采区边界断层,南到工业广场保护煤柱。

1.2 顶底板岩层特征 伪顶为黑色较破碎泥岩,一般厚度为0.3m;直接顶为灰色粗粉砂岩,一般厚度为3.2m;老顶为灰色中砂岩,厚层状,细中粒结构,钙质胶结,层面含暗色矿物,具平行层理和交错层理,厚度为18.56m;直接底为灰色泥岩,泥质胶结,含植物化石,夹1～2层薄煤层;厚度12.11m。

1.3 开采技术条件 工作面开采采用全部垮落法管理顶板,工作面支护采用ZY8800/18/38型掩护式支架,工作阻力8800kN,初撑力6443kN。支架最小控顶距5.037m,最大控顶距5.902m,放顶步距0.865m。工作面采用两巷布置,机轨合一,巷宽5.0m, 高3.5m,采用钢带锚梁网杆支护和U型棚支护,为运煤、进风顺槽,并布置设备车;回风巷宽4.5m,高3.2m,采用U型棚支护,为回风、运料顺槽。

1.4 测点布置 为了观测整个工作面的压力情况,在工作面从下部到上部布置5个测区,每一测区观测2架,每架装一块矿用综采数字压力计,对液压支架支柱阻力进行测试。

为了观测巷道内压力情况,在轨顺和运顺内分别布3个测点,用单体支柱压力表测试单体支柱压力。并在轨道巷内布置20个测点观测巷道变形。

2 测试成果分析

2.1 直接顶初次垮落 当运顺推进14.8m,轨顺推进7.3m时,15#～23#、132#～134#支架处采空区直接顶轻微冒落,24#～28#、36#～39#、80#～87#支架处采空区直接顶冒落块度较大,40#～47#、72#～79#支架处采空区直接顶冒落高度较大,块度较小。

2.2 老顶初次来压和周期来压

2.2.1 工作面老顶初次来压 工作面直接顶初次垮落后,随着工作面不断向前推进,支架后方的直接顶随支架的前移而冒落,机道上方顶板完整无裂隙。当工作面推进到距煤壁28m时,顶板开始响动,伴有炮声;工作面推进到32m处,采高2.5m左右,老顶初次来压,煤壁有轻微片帮现象,采空区被冒落矸石覆盖,并伴有闷声现象;工作面9#～20#、44#液压支架顶板出现较大淋水现象,75#支架可以看到老塘水从支架下方流向工作面;有4个支架安全阀开启,支架最大载荷达到9180KN。

2.2.2 工作面的周期来压 初次来压后,工作面煤壁几乎没有片帮现象,循环支架载荷继续呈增阻。工作面顶板各次周期来压由于工作面在推进过程中,受到煤层厚度变化、地质构造及推进速度等各种复杂条件的影响,导致周期来压时间不一致,来压步距也不相同,即使在同一测区,每次周期来压步距也有差异。

以后的周期来压都比较明显。工作面第一次周期来压步距的变化范围在12.1m～20.25m,平均17.08m;工作面第二次周期来压步距的变化范围在11.2m～18.4m,平均14.05m;工作面第三次周期来压步距的变化范围在13.7m～18.7m,平均16.05m;工作面第四次周期来压步距的变化范围在11.2m～20.55m,平均14.71m;工作面周期来压步距的变化范围在8.2m～19.3m,平均14.13m。

工作面老顶周期来压步距在8.2m～20.55m之间变化,周期来压平均步距在14.05m～17.08m。来压时压力较大,安全阀有开启现象。

2.3 过断层的矿压显现 整个工作面有正断层34条,逆断层3条,断层落差0.1～4.2m,这些小断层不仅破坏煤层的连续性,而且使工作面出现煤层变薄区。在开采过程中,没有出现破碎带,按正常生产速度均顺利通过断层,工作面内有明显的断裂面,而机道顶板均较完整,支架载荷也无明显的增大,无其它异常矿压显现。

2.4 轨道巷矿压显现情况 轨顺和运顺的巷宽均为5m,均为钢筋网-U型棚支护,上下顺槽均进行20m超前支护。通过工作面生产证明,巷道维护是成功的。

2.5 支架载荷

2.5.1 支架初撑力 ZY8800/18/38支架额定初撑力为6443kN/架(当泵站压力为25MPa时),实际初撑力变化在1542～5961kN之间,实际支架初撑力比较低,约为支架额定初撑力的33.6%～40%,中上部支架初撑力略高,以统计数可看出最大初撑力已达到支架额定初撑力的92.52%。

2.5.2 支架载荷变化 从矿压数据统计结果得知,支架增阻明显,没有出现降阻型,而恒阻型占9.3%,增阻型占90.7%,其增阻类型分布见表1。

从末阻力统计来看,支架的循环末阻力比较低,约为支架额定初撑力的38.4%～40.7%,以统计数可知最大工作阻力达到支架额定工作阻力的99.98%。末阻力绝大部分在2100～4800kN之间,占总循环数的84.32%,4800～5700kN之间占总循环数的5.7%,大于等于5700kN的占总循环数的0%。其详细统计结果见表2。

2.5.3 支架适应性分析 由上述分析可知,来压强度最大时为8799kN/架,支架最大实际支护强度为8800kN/架。ZY8800/18/38型液压支架的支护强度为1.006～1.066MPa,完全能符合支护强度要求,工作面共推进1120m,经历了70次周期来压的考验,没有发现支架本身损坏影响生产的情况,也说明该支架的总体性能满足工作面生产的需要。

3 结论

3.1 该矿1711(1)工作面直接顶初次跨落步距14.8m,属2b类中等稳定顶板,老顶初次来压步距为23.5～36.7m,来压强度比较明显,属Ⅲ类老顶。

3.2 ZY8800/18/38型支架承受了最大超过8800kN的载荷,支护强度可满足开采要求。高工作阻力掩护式支架对维护机道顶板起到了积极作用,避免了顶板破碎。其快速移架系统加快了移架速度。

3.3 周期来压与非周期来压期间压力变化大,动载系数为1.83

参考文献:

[1]钱鸣高,石平五.矿山压力与控制[M].中国矿业大学出版社.2003.

[2]杜计平,苏景春.煤矿深井开采的矿压显现及控制[M].中国矿业大学出版社.2000.