“三软”煤层综放工作面矿压显现特征分析

赵 君

(大同煤矿集团有限责任公司技术中心,山西大同 037003)

“三软”煤层综放工作面矿压显现特征分析

赵 君

(大同煤矿集团有限责任公司技术中心,山西大同 037003)

通过对工作面围岩活动规律、支架与围岩力学关系的理论分析,以及工作面矿压观测,分析了“三软”煤层综放工作面矿压显现规律与特征,指导解决了“三软”煤层综采放顶煤生产中存在的实际问题。

“三软”煤层;综放;矿山压力

轩岗煤电公司主要可采煤层 5号层 (俗称上冒丈,冒顶通常一丈高),煤层硬度系数 f=0.5～0.7,直接顶为砂质页岩、泥岩互层,底板多为砂质泥岩,硬度系数小于 3.0,为“三软”煤层。研究“三软”煤层综采放顶煤开采矿山压力显现规律与特征,掌握适合“三软”煤层特点的开采理论与技术,解决生产实践中存在的实际问题,为“三软”煤层综采放顶煤工作面的设计、开采、管理提供科学依据,从而实现安全高效开采,提高资源采出率和经济效益。

1 工作面上覆煤岩活动模型的建立

随着工作面的推进,工作面顶煤将顺次经过顶煤完整区、顶煤破坏和发展区、裂隙发育区、顶煤冒放区,直到完全破碎而由放煤口放出。上覆煤岩活动模型如图 1。

“三软”煤层长壁综放工作面上覆煤岩活动具有支承压力峰值深入工作面煤壁、关键层结构上移、松散煤岩体构成“移动散体拱”的特征,工作面支架载荷并不大。

顶板压力通过刚度很低的顶煤传递,支架载荷与顶煤强度有关,顶煤的强度小、完整性差,支架载荷就小,反之亦然,因此,工作面支架工作阻力相对较低。

图1 上覆煤岩活动模型

由于破断岩梁距离工作面较高,而且有顶煤作垫层,所以工作面周期来压强度不大、显现不明显。但是,在正常回采过程中,不规则垮落带悬梁周期性垮落,以及采空区内矸石对悬岩侧向挤压形成的拱式平衡,在跨度增加到一定程度时的失稳也会引起小规模的压力波动。

2 工作面端面受力分析

“三软”煤层综放工作面,在顶煤节理和裂隙比较发育、遇有局部断层、褶曲构造以及基本顶来压、工作面推进速度较慢时,容易发生工作面端面冒漏顶事故。

相关的有限元数值计算结果表明,支架前上方存有拉应力区,仅改变端面距,支架前上方应力状态即发生较大变化。支架前上方应力分布如图 2所示。

图2 支架前上方应力分布

对“三软”煤层综放面,端面顶煤是不能承受任何拉应力的,该拉应力区的存在,是形成端面冒顶的主要原因。该拉应力区应力值受 4个参数的影响:端面距、水平支承力、垂直支承力以及支架合力作用点与煤壁之间的距离。其中端面距的影响居于首位,其他一些参数的交互作用也很明显。

3 工作面支架与围岩力学关系分析

增大支架工作阻力,可有效控制顶板,但阻力过大,必将增加支架重量与造价,因此,支架工作阻力必须选择合理。直接顶的垮落高度与采高有关,支架受力主要是直接顶 (包括顶煤)产生的静压和动压。支架受力力学模型 (如图 3所示)可考虑下列因素:

图3 放顶煤开采支架受力模型

(1)工作面顶煤及顶板断裂线超前发生在煤壁内,当断裂线移至工作面煤壁附近时,支架承受载荷最大,以此作为计算基础。

(2)支架上方采空区一侧顶煤、岩层按垮落角上伸,其侧面有垮落的矸石支撑,且对顶煤、岩层的下沉具有向上的摩擦阻力。

(3)放顶煤开采垮落带较高,基本顶载荷 Q3,或称为裂隙体梁结构失稳形成的载荷,发生在下位裂隙带内,即使岩块间在有剪切滑移的情况下仍能继续依靠横撑力而形成裂隙体梁式平衡结构,结构以上的载荷对支架的影响可忽略不计。

可按 ∑Fy=0建立下列方程

式中,P为支架合理支撑力,kN/架;Q1为顶煤重,Q1=M2·l·γm;Q2为直接顶重,Q2=h·l· γz;K为考虑砌体梁失稳时附加力的动载压系数; R为顶板在煤壁断裂线处的摩擦阻力,按支架阻力处于极限情况,取 R=0;N为碎矸和部分规则垮落带的横撑力;F为块矸和顶煤、岩层间摩擦力, F=N·tan<。

(4)顶板压力通过顶煤传递,顶煤破坏情况决定了支架外载合力作用点的位置。顶煤在顶梁前、后部易破碎,且顶煤在支架宽度范围内由于煤层倾角等原因刚度不匀也会引起支架受扭,造成支架偏载。

(5)放顶煤工作面是一次采全厚,虽然由于一次采高增加引起支承压力增加,但压力并不很大,而且矿压显现较分层开采缓和。

4 工作面矿压观测与分析

轩岗煤电刘家梁矿 5号煤层 5117工作面,煤层埋深 280m左右,厚度 5.81～13m,平均 8.5m。工作面倾斜长度 110m,走向长度 780m。工作面运输巷一侧为实体煤,运料巷一侧隔 20m煤柱为5115工作面采空区,两巷均沿煤层底板掘进。工作面采用 70架 ZF3100/16/26型支撑掩护式支架和1架 ZF3600/17.5/27型过渡支架支护顶板,机采高度 2.5 m,采用多轮顺序均匀放煤方法,两端头各有 2架不放煤。

工作面采用 ZYDC-Ⅲ型综采支架连续记录仪监测记录液压支架阻力,工作面共布置 5条测线。其中,工作面头部、中部与尾部的支架前、后柱压力变化曲线如图 4、图 5、图 6,支架工作阻力统计直方图,如图7。

分析连续记录仪实测资料,并结合宏观矿压观测资料分析得出:

(1)工作面初次来压步距为 11m,周期来压步距为 8～10m,来压强度不大。

(2)工作面支架运行特征为一次增阻,通常是前柱压力大于后柱,来压时后柱有时是受拉力。

(3)工作面支架工作阻力成正态分布,能够满足支护要求,压力在 1500～2400kN之间,与支架额定工作阻力 3100kN相比,处于较低的压力区间。

图4 头部测线曲线

图5 中部第1条测线曲线

图6 尾部测线曲线

图7 工作阻力统计直方

5 结 论

(1)“三软”煤层综放工作面来压步距相对较小、矿压显现不明显,选择较低工作阻力的轻型液压支架能够满足工作面支护需求。

(2)改善支架端部结构,加大支架前梁的支护强度和支架水平推力,可改善端面受力状况。

(3)工作面压力表现为中部大、两端偏小,证实在工作面采空区上方存在拱式平衡结构,支架只承担拱内顶煤和岩层的重量。

(4)在生产过程中,移架后及时伸出前探梁缩小端面距,顶板破碎时采取及时支护、擦顶带压移架,缩短顶板暴露时间,遇构造或煤体破碎时降低机采高度,可有效避免工作面漏冒顶事故。

通过采取针对性的技术措施,防止了工作面漏顶、支架偏载倾斜、后柱受拉损坏等事故的发生,保障了工作面安全生产,经济效益显著。

[1]陈炎光,钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制 [M].徐州:中国矿业大学出版社,1994.

[2]金智新,于海勇 .综采放顶煤开采理论与实践 [M].北京:煤炭工业出版社,2006.

[3]董志峰,吴 健 .轻型放顶煤液压支架及其与围岩关系理论与实践 [M].北京:中国科学技术出版社,2003.

[责任编辑:邹正立]

Underground Pressure Behavior Characteristic of Full-mechan ized CavingM in ing Face with Soft Roof,Soft Coal and Soft Floor

ZHAO Jun

(Technical Centre,Datong Coal Group Co.,Ltd,Datong 037003,China)

This paper researched underground pressure behavior rule and characteristic of full-mechanized cavingmining face with soft roof,soft coal and soft floor by theoretical analysis ofmovement rule of surrounding rock andmechanics relationship of powered support and surrounding rock.Resultsmay be used to instruct solving actual problems in full-mechanized caving mining coal seam with soft roof,soft coal and soft floor.

“3 soft”coal seam;full-mechanized cavingmining;underground pressure

TD324

A

1006-6225(2010)05-0086-03

2010-06-17

赵 君 (1965-),男,山西大同人,高级工程师。