大采高放顶煤工作面矿压显现规律及围岩控制研究

2011-05-15刘正和赵阳升弓培林吕兆兴

太原理工大学学报 2011年5期

刘正和,赵阳升,弓培林,吕兆兴

(太原理工大学采矿工艺研究所,太原030024)

综放工作面采高加大以后顶板岩层垮落后难以充满采空区,将导致上覆岩层中形成结构的岩层位置及其运动规律都发生了变化,尤其是采高大于3.5 m以后,这种规律将显著不同于采高在3.5 m以下的工作面。因此,大采高综放工作面的顶板控制也必然不同于普通综放工作面。对大采高综放工作面进行矿压观测,研究大采高综放条件下上覆岩层结构及运动特征,掌握工作面的初次来压、周期来压规律,探讨支架与围岩关系及优化液压支架选型有重要的意义。

1 大采高综放工作面煤层赋存条件

4106综放工作面为某矿一号井的第一个工作面,工作面所采煤层为4号煤层,平均煤厚8.72 m。工作面推进长度为1 650 m,工作面长为300 m,采高3.7 m,平均放煤高度5.02 m,采放比为1∶1.36。工作面最大控顶距为6 134 mm,最小控顶距为5 334 mm,端面距不大于424 mm。

工作面顶板：厚度10.7～19.19 m,平均厚15 m,岩性为棕灰-灰白色,以石英为主,长石次之,含暗绿色矿物,长石已经风化,分选差,较硬,下部含黄铁矿;工作面底板：直接底厚1.98～3.38 m,平均厚2.30 m,岩性为砂质泥岩,褐色,较硬,含植物化石碎片和黄铁矿,老底厚4.27～6.28 m,平均厚5.20 m,岩性为中粒砂岩,灰白色,以石英为主。

2 大采高放顶煤矿压显现规律实测分析

4106综放工作面全长300 m,共布置液压支架202架。工作面主要设备配备详见表1。工作面选取有代表性的五架支架进行支架载荷连续监测,支架编号分别为20号、40号、100号、120号、180号。其中20号、40号代表下部测区,100号、120号代表中部测区,180号代表上部测区。测区布置如图1所示。

表1 工作面主要设备配备表

2.1 工作面来压步距分析

根据实测所得支架工作阻力的变化计算工作面来压步距。20号支架初撑力和末阻力随工作面推进距离的变化关系曲线如图2、图3所示,100号支架初撑力和末阻力随工作面推进距离变化曲线如图4、图5所示,工作面支架平均载荷随工作面推进距离变化曲线如图6、图7所示。工作面下部(40号支架)初次来压步距为35 m,周期来压步距6～15 m,平均周期来压步距10.3 m;工作面中部(100号支架)初次来压步距为45 m,周期来压步距8～11 m,平均周周期来压步距9 m;工作面下部(180号支架)初次来压步距为49 m,周期来压步距8～23 m,平均周期来压步距15.3 m;工作面平均初次来压步距为44.4 m,周期来压步距平均为13.32 m。工作面不同位置初次来压及周期来压步距见表2。

图1 测区布置示意图

图2 20号支架初撑力随工作面推进距离变化曲线

图3 20号支架末阻力随工作面推进距离变化曲线

图4 100号支架初撑力随工作面推进距离变化曲线

图5 100号支架末阻力随工作面推进距离变化曲线

图6 支架平均初撑力随工作面推进距离的变化曲线

图7 支架平均末阻力随工作面推进距离的变化曲线

表2 工作面支架来压步距特征

2.2 支架载荷分布规律

工作面支架初撑力和末阻力随推进过程变化特征表明,末阻力与初撑力呈线性变化,末阻力的值与初撑力值大小有关,初撑力大的末阻力也大。工作面机头、中部、机尾部位的20号、100号和180号支架荷载如表3所示。

表3 工作面支架初末阻力特征

1)20号支架初撑力为8～30 MPa,平均为23.33 MPa;100号支架初撑力为19～30 MPa,平均为26.26 MPa;180号支架初撑力为14～28 MPa,平均为23.25 MPa。由支架平均值可知,工作面中部支架初撑力最大,上部和下部基本相等。3个支架实测初撑力平均24.28 MPa,利用率为支架额定初撑力(31.5 MPa)的77%。图8为观测期间测得支架初撑力的频率分布直方图,初撑力低于20 MPa的频率占9%,在20～30 MPa之间的占62%,大于30 MPa的占29%,可见该工作面支架初撑力可以有效的支撑顶板,能减少顶煤和顶板间的离层量,达到控制顶板的目的。

图8 支架初撑力分布直方图

2)20号支架循环末阻力为8～38 MPa,平均为25.6 MPa;100号支架循环末阻力为22～46 MPa,平均为36.26 MPa;180号支架循环末阻力为14～39 MPa,平均为26.15 MPa。由循环末阻力平均值可知,工作面中部支架末阻力值最大,下部和上部基本相等。3个支架实测循环末工作阻力平均29.34 MPa,占额定工作阻力的66.7%,从工作面支架循环末阻力均值上看,支架工作阻力有33.3%的富裕度。图9是观测期间工作面支架循环末阻力频数分布直方图,有5%的支架末阻力低于20 MPa,该部分支架未能有效的支撑顶板,原因可能是支架顶梁未能与顶煤接触充分或液压管路漏液造成的;有54%的支架末阻力在20～35 MPa之间,为工作面未来压期间支架载荷;有27%的支架末阻力在35～45 MPa之间,为工作面来压期间,支架处于高支撑状态;有14%的支架末阻力超过其额定工作阻力,说明大采高综放工作面同样在来压期间存在冲击载荷。

图9 支架末阻力分布直方图

图10 支架初撑力和末阻力的关系曲线

3)根据实测到工作面支架初撑力和末阻力的数据,绘制散点图10进行统计回归,总结出支架初撑力和末阻力符合线性增长规律。回归公式为：

3 大采高放顶煤工作面顶煤破坏高度数值模拟研究

依据4106大采高放顶煤工作面的顶底板赋存条件,利用有限元模拟软件,对工作面开挖后,顶煤受力进行分析,总结其破碎垮落规律。

图11 工作面顶煤及围岩垂直应力分布云图

图11 为大采高放顶煤工作面推进至35 m时,工作面顶煤及围岩垂直应力分布云图。工作面前方顶煤及顶板处于受压区域,最大支承压力为12.6 MPa，大于顶煤的单轴抗压强度,顶煤被压裂破坏;工作面后方顶煤为受拉区域,最大拉应力为5.17 MPa,大于顶煤的单轴抗拉强度,顶煤受拉破坏。顶煤在工作面前方支承压力及后方拉应力双重作用下破坏较为充分,冒放性较好。