基于大型综放端面冒漏顶片帮控制的两柱支架支护参数研究＊

何富连 田金泽 杨彦宏 张军辉 翟高峰

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)

基于大型综放端面冒漏顶片帮控制的两柱支架支护参数研究＊

何富连 田金泽 杨彦宏 张军辉 翟高峰

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)

现场实测采场矿压信息,统计综放端面冒漏片帮分布特征,回归分析综放端面冒漏片帮与支护参数的相关性关系,得出冒漏顶片帮控制的关键影响因素,评价现有综放四柱支架对端面冒漏片帮的控制效果,并提出架型改进的合理化建议。分析综放两柱支架对端面冒漏片帮的控制效果,数值模拟计算确定综放两柱支架关键支护参数。

综放端面 工作面液压支架 两柱支架 冒顶 片帮 支护参数

端面的稳定性与顶煤的破碎状况、裂隙产状等因素有直接联系,而在端面无支护空间,裂隙与水平方向的夹角与煤的力学特性和赋存状态有关。千万吨级安全高效矿井普遍开掘大型综放面,但大型综放端面煤体强度低、稳定性差、承载能力弱,易出现水平拉应力集中,造成严重的冒漏顶和煤壁片帮事故,制约了综放面安全高效开采。综放两柱掩护式支架能产生一个水平力作用于顶板,有利于端面稳定性的控制。因此,研究综放端面煤岩体冒漏顶片帮的关键影响因素,确定综放两柱支架的支护参数,是解决大型综放端面控制难题的有效技术探索。

1 工程地质及开采技术条件

中煤平朔煤业公司安家岭井工二矿9#煤层厚8.9～13.65 m,平均厚度11.69 m,煤层倾角1.8～3.8°,平均2.8°。煤层为半亮-半暗型,油脂光泽,条带状结构,裂隙较发育,含夹矸2～7层,夹矸岩性多为黑色粉砂岩,局部中间夹灰褐-黑褐色高岭石2～3层。直接顶板以中粗砂岩为主,有时为细砂岩,局部有灰黑色泥岩;直接底板以泥质岩类为主,灰色-灰黑色。B906综放面倾斜长度300.5 m,可采走向长度1610 m,机采高度3.3 m,放煤高度8.4 m。现采用MGTY750/1800-3.3D型采煤机、195架ZFS10000/23/37型工作面支架、8架 ZFG10000/23/37型过渡支架、SGZ1000/2×1000型前部刮板输送机、SGZ1200/2×1000型后部刮板输送机、SZZ1200/700型转载机及PCM400型破碎机进行配置。

安家岭井工二矿为千万吨级安全高效矿井,现采用的四柱支撑掩护式液压支架虽然已基本实现矿井安全高效开采,但全矿多数综放面出现过冒顶片帮现象,个别综放端面煤岩体出现严重冒顶片帮事故,如B907工作面端面开采过程中出现过大的冒顶片帮,冒高超过8 m,片深达1～2 m;B906综放端面煤岩体多次出现小范围的严重冒顶片帮现象。为了使支护装备更加安全可靠,开展端面稳定性控制的架型改进的研究是非常有必要。

2 综放端面冒漏片帮关键影响因素实测分析

2.1 B906综放工作面矿压信息实测

矿压监测小组对B906综放工作面支架立柱液压、支架几何位态与端面冒漏片帮信息进行现场矿压信息实测。测站位置分别为工作面 6#、53#、100#、148#和197#液压支架处。在工作面推进过程中,记录推进度、采集支架液压信息数显表读数;运用坡度规、钢卷尺现场实测支架端面距、顶梁台阶、立柱倾斜角、顶梁俯仰角、推运夹角、带式输送机倾向角;采用钢板尺、钢卷尺观测端面顶板冒高、冒宽、冒长,冒落岩块的几何尺寸及煤壁片帮深度、长度,片帮类型等端面冒漏片帮信息。

2.2 综放端面冒漏片帮状况分布特征

统计分析B906综放面端面煤岩体冒漏顶片帮状况的现场实测数据,得出B906工作面冒顶片帮状况分布特征见图1。由图1可知,B906综放工作面冒高、片深小于0.5 m的观测数据分别占82%和91%,冒(漏)顶、片帮控制状况基本可以满足安全高效生产的要求;局部出现超过0.75 m的冒顶片帮现象,主要集中在工作面中部和中上部区域。在以后的开采实践中要加强中部及中下部区域端面煤岩体的控制,尤其在周期来压期间。

2.3 端面冒漏片帮与支护参数关系分析

综放端面冒漏顶片帮状况和支架几何位态密切相关,而且受支架液压大小的影响,为分析冒漏片帮状况与支护参数相关性关系,引入回归分析的方法。回归分析研究测值变量之间的非确定关系,研究一个随机变量与一个(或几个)可控变量之间的相关关系的统计方法。

图1 冒顶片帮变化特征

取本次实测数据的50组样本,分别以端面煤岩体冒高和片深为控制目标,以影响控顶效果及片帮状况的支护参数(包括端面距、顶梁台阶、顶梁俯仰角、支架液压)为自变量,借助MATLAB程序设计,对观测数据进行回归参数计算,选定相关系数r值最大的回归曲线作为最佳的回归关系,并检验回归效果的显著性,所得的回归曲线方程可确定端面冒漏片帮与支护参数的相关性关系。冒漏顶片帮与支护参数的回归关系见表1。

表1 冒漏顶片帮与支护参数的回归关系

回归分析结果表明,冒高h、片深e随端面距d、顶梁台阶c、顶梁俯仰角γ的增大而显著增大,随支架液压P的增大而减小,分别呈线性、指数、线性、倒幂函数相关性关系。冒高h与采面片深e情况密切相关,端面冒漏随着煤体片帮程度的加剧而增大,片帮也随着冒漏程度的加剧而增大,呈对数函数相关性关系。B906综放端面冒漏顶的关键影响因素为支架液压和端面距。冒高-支架端面距相关性关系见图2,片深-支架液压相关性关系见图3。ZF10000/23/37D型四柱支撑掩护式放顶煤支架可以较好地控制端面煤岩体的冒顶片帮,但是工作面有时会出现局部严重冒顶片帮现象,导致支架-围岩事故,制约工作面高效回采,建议采用综放两柱支架改善端面控制效果。

3 综放两柱支架支护参数研究

3.1 综放两柱支架控制端面破坏效果分析

综放两柱掩护式支架在初撑阶段顶梁有向工作面方向的水平运动,能产生一个有效水平力作用于端面煤岩体。改善端面煤岩体的应力分布,降低拉应力破坏区,有利于端面煤岩体破坏的控制。现场实测发现,工作阻力偏低的两柱掩护式支架控制破坏严重的直接顶效果大大好于工作阻力略高的四柱支撑掩护式支架。而且,两柱掩护式支架采用两个立柱,支架结构简单且可靠性高,不会出现前、后立柱受力不均衡的现象,支架立柱的支撑力可以得到充分发挥。

3.2 综放两柱支架关键支护参数确定

3.2.1 数值计算模型与方案设计

选用UDEC4.0进行数值模拟计算,模拟不同工作阻力、端面距(梁端距)条件下综放两柱支架对B906综放端面冒漏片帮的控制效果,分析确定支护参数的合理设计值范围,见表2。

表2 模拟方案表

计算模型选取工作面的推进方向为x轴,竖直方向为y轴方向,建立150 m×50 m的计算模型。上边界施加5.39 MPa的均布铅垂压应力,下部底板、左侧岩体和右侧实体煤简化为位移边界条件,围岩本构关系采用摩尔—库仑模型。

3.2.2 数值模拟结果分析

端面破坏参数与工作阻力关系见图4,端面破坏参数与端面距关系曲线见图5。

由图5可知,随着端面距的逐渐增大,端面煤岩体冒落越来越严重,片帮程度进一步加深,形成的结构愈加不稳定。端面距小于0.75 m时,端面顶板控制效果较好,端面距为1.0 m时,端面出现顶煤冒漏和煤壁片帮,冒高和片帮深度均在0.5 m左右,但是在端面形成了较好的冒落拱,且拱的两翼坡度较缓,端面控制开始出现一些困难;端面距为1.5 m时,冒顶和片帮十分严重,端面已经难以控制。

由以上分析可知,综放两柱支顶掩护式支架端面距控制指标值应小于0.75 m,额定工作阻力合理值为8500 kN。

4 结论

(1)大型综放端面煤体强度低,易产生指向采空区方向的水平拉应力,出现严重端面冒漏片帮事故,综放两柱支架可以改善端面煤岩体应力分布,降低拉应力破坏区,有利于综放端面冒漏片帮控制。

(2)现场实测矿压信息的MA TLAB程序回归分析结果表明,安家岭B906大型综放面端面冒漏片帮的关键影响因素为支架液压和端面距。

(3)UDEC数值模拟结果表明,安家岭井工二矿B906大型综放面两柱掩护式支架的合理设计值为8500 kN,端面距控制指标为0.75 m。

[1]张勇,郝海金.放顶煤工作面端面稳定性控制[J].矿山压力与顶板管理,2003(3)

[2]方新秋,钱鸣高,曹胜根,缪协兴.不同顶煤条件下支架工作阻力的确定[J].岩土工程学报,2002(2)

[3]赵洪亮,何富连,臧传伟,瞿群迪.综放采场矿压显现规律实测研究[J].矿山压力与顶板管理,2000(2)

[4]陈久宇,林见.观测数据的处理方法[M].上海:上海交通大学出版社,1987

[5]Syd.S.Peng,H.S.Chiang,D.R.Zhu et al:Monitoring and Evaluation of Different Types of Powered Supports Employed in Longwall Panel LW-17 at Cumberland Mine,USX,WVU,USA,July 1989

[6]朱德仁,蒋永明等.二柱掩护式支架水平力的研究[J].中国矿业大学学报,1990(9)

(责任编辑 张艳华)

A study of support parameters of two-leg roof supports for control of roof/rib fall on large fully mechanized longwall faces with top coal caving

He Fulian,Tian Jinzhe,Yang Yanhong,Zhang Junhui,Zai Gaofeng
(Faculty of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Haidian,Beijing 100083,China)

Key factors affecting roof/rib fall control are identified,the result of existing fourleg supports in controlling roof/rib fall on fully mechanizedmining with top coal caving is evaluated and recommendations on improving the configuration of supports are made in light of actual ground pressures measured at stopes underground,the calculated characteristics of roof/rib fall distribution and a regression analysis of the correlation between roof/rib fall and support parameters.The result of two-leg supports in controlling roof/rib fall on longwall faces is also analyzed and key parameters for two-leg supports are determined using numerical simulation.

fully mechanizedmining with top coal caving,power support,two-leg supports,roof fall,rib fall,parameter of support

TD355.4

B

＊国家重点基础研究发展计划项目资助(2010CB226802);教育部留学回国人员科研启动基金项目资助(2007-1108)。

何富连(1966-),男,浙江临海人,中国矿业大学(北京)教授,博士生导师,主要从事矿山压力与岩层控制、安全技术及灾害防治等方面的研究工作。