综采工作面矿压分析
2010-11-24唐金柱
唐金柱
(新疆焦煤集团艾维尔沟焦煤公司1930煤矿)
·技术经验·
综采工作面矿压分析
唐金柱
(新疆焦煤集团艾维尔沟焦煤公司1930煤矿)
新疆焦煤集团主焦煤公司24122综采工作面属于坚硬顶板软煤软底倾斜中厚煤层开采的工作面。工作面平均倾角为33°，煤层厚度为2.0 m，煤硬度系数为f=3，且煤层赋存夹矸及煤包石。因顶板为坚硬顶板，虽经过深孔爆破处理，但矿山压力显现，存在严重的安全隐患。结合工作面实际情况，分析了综采工作面的矿山压力并提出防治措施。
综采工作面；矿压；规律；存在问题；分析；措施；应用
新疆焦煤集团主焦煤公司24122综采工作面属于坚硬顶板软煤软底倾斜中厚煤层开采的工作面。工作面平均倾角为33°，煤层厚度为2.0 m，煤硬度系数为f=3，且煤层赋存夹矸及煤包石。因顶板为坚硬顶板，虽经过深孔爆破处理，但矿山压力显现，存在严重的安全隐患。
1 工作面概况
24122综采工作面位于1930平硐三采区运输石门以西，2130平硐延深一采区运输石门以东，走向长度2 200 m，平均倾斜长度108 m。工作面设计停采线在集中运输上山以东40 m处，在此范围内煤层较稳定，走向偏东10°，平均倾角33°，煤岩为单斜构造，煤层平均厚度2.0 m，煤比重135 t/m3，煤岩柱状图见图1。
图1 煤岩柱状图
三采区运输石门以西240 m处有4条落差1.2～1.5 m左右断层，相隔10～20 m，对回采有一定的影响。4#煤层下部为5#煤层，垂距40 m；上部为3#煤层。地表均为荒山，除艾维尔沟河南岸有一哈萨克族民居外，无其它地表建筑或设施。艾维尔沟河在其北边地表流过，工作面回风巷有长度200 m的一段从河床下穿过，该回风巷标高+2 010 m，该段河底标高为+2 070 m，本巷道涌水主要来自顶板裂隙水和河床渗水，预计涌水量120 m3/h。
工作面采用超前预爆破，全部垮落法管理顶板。工作面上、下端头以“四对八梁”配合单体柱支护，梁采用箱型顶梁长3.6 m，一梁三柱式支护，间距0.3 m，排距0.6 m，柱距1 m。梁下支柱采用QDZ-2200轻型单体液压支柱支护，相邻两柱之间用d6 mm钢丝绳联锁防倒柱伤人。工作面使用70架ZZ4000/16/26型液压支撑掩护式支架支护顶板，其主要技术特征为：高度1.6～2.6 m，宽度1.43～1.60 m，初撑力3 517 kN，工作阻力4 000 kN，支护强度0.66～0.68 MPa，对地板平均比压1.47～1.52 MPa，中心距1 500 mm，泵站供液压力28 MPa；立柱(4个)：缸径/柱径d200/d185 mm，行程996 mm，初撑力897 kN，工作阻力1 000 kN。
超前支护在上下顺槽超前工作面20 m范围内使用单体柱配合绞接梁进行超前支护，距工作面煤壁10 m范围内打双排柱，10～20 m范围内打单排柱，靠上帮的一排打20 m，靠下帮的一排打10 m；超前支护柱距1.2 m，绞接梁上部用厚度不小于100 mm的半圆木接顶，超前支护立柱迎山角6°；局部超高地段可用3.5 m单体柱或木柱支护。
工作面安设了6#、25#、45#、65#等4个测点，采用ZDYJ-IIB型综采压力记录仪连续记录工作阻力。
2 工作面来压规律
1) 工作面来压规律见表1。
由于直接顶较薄，在移架过程中已破碎冒落，故表1为老顶来压规律。
2) 工作面各测点的工作阻力、初撑力、末阻力见表2。
表1 工作面来压规律
表2 工作面各测点工作阻力、初撑力、末阻力
表2中“比例”为平均值与额定值的比值。
3) 顶板分类。
N=H2/H1=0.28/2.0=0.14
式中：
H2—直接顶厚度，m，取0.28；
H1—采高，m，取2.0；
顶板分类中N值分类指标见表3。
表3 顶板分类中N值分类指标
注：L—老顶处次来压步距(或周期来压步距)。
由表3可知，老顶属于III级来压强烈的顶板。
3 支架受力分析
1) 初撑力Po。由表2可看出，支架的初撑力利用偏低，大部分时间只占额定值的70%左右；今后顶板管理工作中应切实加强初撑力支护质量；保障支架于顶板体系处于良好状态，提高支护结构的稳定性。
2) 工作阻力Pt。由表2可看出，支架在通常状况下，工作面支护阻力较小，支架额定工作阻力有富裕。
3) 循环末工作阻力Pn。由表1，表2可看出，支架主要在增阻阶段工作，支架阻力有富裕，由于支架阻力小，在工作面下部支架接顶情况不良，顶板移近量较大。并且由于支架接顶情况不良还导致了支架瞬间值较大，或者出现数据为零的情况，影响了数据分析。
4) 由于工作面倾角大，顶板对支架的正压力较小，斜向力较大。工作面要加强防倒、防滑设施。由于倾角大，矸石、煤块的自溜性较为严重，防矸帘须加强。采空区垮后的顶板很容易滑落到下端。尤其工作面经常冲水，致使工作面中部压力明显大于上、下部，必须确保中部支架找顶质量，而下部由于有中上部滑落的石块填上，压力不明显，并且由于深孔角度不大(角度太大会破坏巷道)。下部悬顶很少垮落，并且巷道变形较为严重，上帮最大高度有时是下帮高度的5倍左右。因此，下端头须加强支护，须确保超前支护的质量。
5) 局部采高过高，也是造成了支架无法接顶的原因。采高过高煤壁容易片帮，不利于顶板管理，回采中要控制好采高。
4 工作面存在的问题
1) 支柱、支架的初撑力偏低。初撑力是指升柱结束的瞬间，支柱架靠泵压对顶板产生的主动力。
支柱、支架的工作阻力越接近最大工作阻力，支柱、支架的效能就发挥越好。但由于种种原因导致支柱支架初撑力低，从而限制了支柱、支架的使用效能，且由于支柱初撑力偏低，使得顶板未到工作面就已产生离层，上覆岩层弯曲下沉时就会对支柱、支架造成较大的冲击负荷，使支架的瞬间值较大。对支柱、支架的使用寿命和顶板管理产生不利的影响。根据日常观察和参考有关材料，初撑力偏低的主要原因如下：管路系统压力损失偏大；泵站距工作面远，有关资料显示这种布置会使压力损失40%～60%。
2) 工人操作质量低。操作工人在升柱时往往使支柱、支架刚一接触顶板就停止供液，支柱、支架处于“相对等劲”状况。由于支架的升降对顶板的破坏性较大，支架上方往往有一层较碎的岩石或顶煤，如供液时间较短就无法压实支架上方的碎石浮煤，这样就会造成顶底板移近量增大，上覆岩层就会冒(漏)顶，使工作面支柱、支架工作阻力达不到要求。
3) 支护系统初撑刚度低。主要表现在底板松软上，支柱在此基础上支护就会使支柱陷入底板内，或来压时陷入底板中，造成支柱初撑力偏低。
4) 采面注液枪同时使用数目影响。工作面2把注液枪同时使用会比单枪使用压力低10%～15%，而3把枪同时使用比2把枪低10%。工作面使用注液枪的数目越多压力就越低，工作面支柱获得泵压就越低；由公式：F初=KP/4πD2，其中：(K—泵站有效利用系数；P—泵站的工作压力，Pa；D—支柱活柱内径)，可知F初与K成正比，K值越大，F初就越大，K值越小，F初就越小，工作阻力也自然偏低。
5 防治措施
1) 具体做法。
a) 管路损失与管长、流速成正比，与管径成反比。由于泵站型号已确定，因此流速、管径也就确定。一是从管长着手。一般液压泵站距工作面50 m内为宜，但由于工作面推进速度较快，这样就会造成经常“搬家”，从而占用生产时间，最好是泵放在轨道上，随时都可调整，但这样会占用运输线路和阻碍行人。二是改进注液枪支管和供液干管。由于目前支管与干管一般都是“⊥”设计，这样就会造成主管的一分液体无法进入支管内，因此，对其进行了改进见，图2。
图2 改造前后干管、支管示意图
这样可以最大限度使用液体。目前，只有尽量减少泵站与工作面的距离，保持增加大泵站压力。
b) 由于巷道是梯形结构，工人注液时，由于未控制好角度支柱容易打斜，从而造成初撑力低。区队应利用班前会对工人进行讲解支柱、支架撑力低较低所引发的危害。每周的安全学习要对工人进行各种操作规程的学习，使工人操作规范化。
c) 由于工作面底板为软底，加上底板留下的浮煤。支柱往往插底，尤其是上下端头更为严重。对此目前还未有更好的解决办法，只有对支柱“穿鞋”，在打支柱前必须要清理掉浮煤，再打支柱。
d) 上、下顺槽在使用注液枪时，可事前安排好使用次序。尽量减少多枪同时使用。
2) 过不稳定顶板的措施。
由于工作面存在断层和局部顶板破碎带，在过此地段时，往往准备工作未提前做好，使工作面支架未接顶或接顶效果不佳。支架的瞬间负荷较大，过破碎带可采取以下方法：
a) 提高液压支架的初撑力，尽可能提高乳化泵压力，支架不泄漏，正确操作支架。升柱后，不要立即将升柱手把打到零位，应待其达到或接近额定初撑力为止。工作面接近周期来压强或高应力区时，可暂调高安全阀额定值。通过后，调回正常值。
b) 当工作面存在破碎易冒的直接顶板时，应采用超前移架(先拉架后推溜)的方法，使支架顶梁前梁顶住煤，割煤时只割底煤，在支架顶梁的掩护下通过，如留有粘顶煤，移架时使用支架前梁铲落，与此同时，还应配合快速带压移架等措施防止破碎顶板垮落，当采取以上措施不奏效时，可采取如下方法控顶，“挑顺山梁”，采煤机割煤后新暴露出来的顶板，可能在支架卸载前移时冒落，此时可采用挑顺山梁方法处理，见图3。
图3 “挑顺山梁”控顶示意图
先移顶板较完整处的支架，移架前降前梁，在梁上探放平行工作面的半圆木2根，长度3～4 m，移架后，支架升起用以支护附近的破碎顶板，然后在再移邻近支架，如果顶板比较破碎，容易漏矸时，还可在顺山梁上铺设金属网，荆笆或木板等支护材料。当工作面顶板极易冒落，或冒落面积较大采用“挑顺山梁”来不及支护时，可以在相邻支架间超前架设走向棚(一梁二柱或一梁三柱)，同时在走向棚下再临时架设1～2个顺山抬棚及时支护顶板，然后即可先移1#架，用前梁挑起顺山梁，靠顺山棚架托住3#架走向棚架，这时再撤除顺山梁和走向梁下的临时支柱，其相邻的支架在顺山梁和走向梁的掩护下前移，见图4。
图4 顶板极易冒落或冒落面积较大控顶移架图
根据现场情况，可在支架上方碎石冒空的情况下，支架无法接顶时，在支架前端放置坑木使之接顶。
c) 加快工作面推进度减少顶板破碎，综采工作面推进速度的快慢直接影响顶板破碎的大小，推进速度愈快，煤壁暴露时间愈短，片帮深度愈小，顶板破碎度愈低。
d) 改进综采生产工艺和操作方法，在破碎顶板条件下，操作液压支架必须实行擦顶带压移架和降柱(只松动)、升柱的复合操作。同时要注意移架时尽可能停止其它用液操作，防止液压降低，影响拉架力和拉架速度。
在松软煤体和破碎顶板条件下，要减少采煤机一次进刀量，提高牵引速度，实行“浅截快跑”。
6 结 论
1) 工作面具有强烈的初次来压和周期来压。初次来压步距35 m，周期来压步距9～24.6 m、平均12 m。
2) 工作面支架额定阻力有富裕，支架阻力低是造成支架不接顶和瞬间值较大的主要原因；工作中要加强支架初撑力的管理。
3) 大倾角回采顶底板的管理是关键，而确保支架的初撑力是关键中的关键。
[1] 耿献文.矿山压力测控技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2002:11-13.
Xinjiang coking coal company 24122 fully mechanized mining face is hard roof and soft bottom of soft coal in sloping medium-thichness seam. The average inclination is 33 °, seam thickness is 2.0 meters, coal hardness coefficient f = 3, and coal seam has partings and the coal lithocarpus. Due to roof is hard, while blasting through the hole, but the strata pressure behavior, there is a serious security risk. In combination with the actual situation of the comprehensive face rock pressure and puts forward control measures.
Fully mechanized coal mining face;Underground pressure；Rule;Existing problem;Analysis；Measure;Application
TD323
B
1672-0652(2010)07-0015-04
2010-04-11
