工作面末采段矿压显现规律与来压增阻速率判断方法

2015-10-14李良红田灵涛孙中光

河南科技 2015年22期

关键词：矿压挠度阻力

李良红　田灵涛　孙中光

（1.国电建投内蒙古能源有限公司察哈素煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017209；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039）

工作面末采段矿压显现规律与来压增阻速率判断方法

李良红1田灵涛1孙中光2

（1.国电建投内蒙古能源有限公司察哈素煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017209；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039）

针对传统矿压判据中的不足，将长壁式开采工作面的顶板简化为悬臂梁模型，利用顶板的挠曲线方程，得到顶板的挠度增加值随悬臂长度L的变化趋势和挠度与支架初增阻速度的关系，将此增阻速率作为顶板来压判据对察哈素煤矿的末采与贯通进行了指导，达到了预期效果。

深埋，软岩，末采，矿压显现，增阻速率

1　引言

随着矿井深度的增加，巷道围岩应力逐渐升高，矿压显现越来越突出［1-2］。对于末采贯通技术要求也越来越高。为了保证贯通回撤时不发生支架压事故，往往要根据末采矿压规律进行等、让压措施。末采贯通让压技术就是通过顶板进行矿压观测，掌握顶板的周期来压规律，在工作面与主回撤通道贯通前，在工作面推进至距离回撤通道一定距离时，若工作面无来压，则暂时停止推进（停采时间一般为10 h 左右），等待工作面出现来压迹象（一般以支架阻力开始上升，煤壁片帮加剧为标准），再继续推进直至与主回撤通道贯通。通过调整工作面推进速度，调节周期来压步距，使得工作面在即将贯通时出现最后一次周期来压，让老顶压力得到充分释放，保证回撤通道上方避开来压峰值，同时新的悬顶面积不足以构成一次周期来压，从而避免贯通回撤时顶板来压而造成支架被压死［3-4］。

察哈素煤矿3101工作面为该矿的首采面，为了在贯通时避开来压，对工作面末采段200m进行了矿压规律研究，据此采用等压措施避开了最后一次来压，保证了贯通与回撤的顺利进行。

2　察哈素工作面概况

察哈素矿井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市境内，3101 工作面煤层平均厚度6m。煤层倾角1～3°。煤层地质构造简单，工作面走向长度2503.74m，倾向宽度300.58m。煤层顶底板岩性见表；在顶底板上存在泥岩，为后期的支护带来非常大的困难。

表1　3101采煤工作面末采段顶底板岩性明细表

3　末采矿压规律分析

为了分析沿工作面面长方向不同部位顶板的来压规律、显现程度以及支架适应性，进而掌握整个工作面的压力分布情况，在工作面安装重庆研究院生产的KJ693顶板动态监测系统进行观测，从工作面推进到距离回撤通道200m开始观测。

3.1顶板来压的传统方法分析

顶板来压分析以支架每天最大（加权平均）工作阻力的平均值与其均方差之和作为判断顶板来压的主要指标。数据计算的公式为：

利用公式1和公式2对支架阻力曲线进行了分析，获得了3101工作面的周期来压情况（表2）。从表1可以看出，周期来压布距为18.6m。

表2　观测期间周期来压步距统计表（250m～100m）

由表可见，工作面不同位置支架来压显现特征有所不同，工作面上部支架来压持续时间较短，来压次数少；工作面中部及下部来压步距较小，且来压持续时间较长，有时甚至持续一天，来压次数较上部区域少。

根据上述周期来压规律可以预计工作面的两次来压将发生在距离回撤通道35m和17m处，贯通期间将发生周期来压，对贯通及回撤非常不利。因此在工作面推进到距离回撤通道还有20m时，采取等压措施，将周期来压提前，改变来压步距。在停采1天后，矿压显现剧烈。来压后继续进行正常推进，距离回撤通道18m时开始挂网。

由于工人对挂网工序不熟悉，导致工作推进速度减慢，由原来的每天推进8m变为每天推进1.6m，速度推进缓慢，导致支架矿压整体显现不明显，对分析周期何时来压造成困难。图1为工作面距离回撤通道50m内的支架阻力曲线。

图1　支架阻力曲线图

由图1可见，对于3月2号以后，由于推进速度过慢，对于分析顶板是否来压造成困难。为了弥补最大值判据的缺陷，采用了支架阻力增加速率的方法来进行判别。

3.2顶板来压的增阻速率判断方法

当顶板周期性断裂后，顶板以支架和煤壁为支点，将煤壁前方煤层和直接顶视为弹性地基，则顶板的受力情况可以简化为如图2所示的悬臂梁模型［5-6］。

图2　顶板受力简化图

随着采煤机割煤，基本顶的悬臂也随之增加，顶板会将挠度的增加值以变形能的形式传递给直接顶、支架、底板，顶板传递给支架和直接顶与底板的总能量为：

该能量将由直接顶W1、支架W2和底板W3三部分分别以变性能储存。其中支架存储的能量W2为：

式中：K2—支架刚度；

y2—支架变形量；

W泵—支架加压到初撑力时泵给支架传递的弹性能；

支架在支护过程由于老顶来压变形导致的阻力增加速度为：

由公式（5）可知，随着工作面的推进，老顶的悬臂长度L 也随之加长，支架上方的整体挠度也会越大。这将直接导致每次支架移架接顶后△t 时间内顶板传递给支架的能量增大，从而间接导致支架阻力增加速度将会随着悬臂长度L 的增加而增加。利用支架接顶后的初增阻指标将更加精确的反应顶板悬臂的周期性变化情况，从而达到精确确定顶板周期来压步距的目的。

根据公式（5），对3101工作面距回撤通道20m内的支架阻力进行了增阻速率分析，分析发现3月7日，虽然支架的末阻力均不大，但是出现了明显的快速增加现象（速率＞100kN/10min），判断顶板来压，此时距离回撤通道还有8m，建议矿方尽快推进，当天全班割煤6刀，进尺4.7m，距回撤通道还有3.3m。3月8日继续推进，此时支架的增阻速率降低，周期来压结束，3月8日晚间正式贯通，没有出现明显的压力现象。直至4月1日整个工作面回撤完毕，没有再出现矿压显现情况，安全指导了矿方回撤工作。