超短孤岛轻放面矿压显现规律及支架适应性研究

杨东辉李永明康全玉翟新献

(1.山西大同大学煤炭工程学院,山西省大同市,037003; 2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083; 3.河南理工大学电气工程与自动化学院,河南省焦作市,454003; 4.河南理工大学能源科学与工程学院,河南省焦作市,454003)

超短孤岛轻放面矿压显现规律及支架适应性研究

杨东辉1,2李永明1康全玉2翟新献3

(1.山西大同大学煤炭工程学院,山西省大同市,037003; 2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083; 3.河南理工大学电气工程与自动化学院,河南省焦作市,454003; 4.河南理工大学能源科学与工程学院,河南省焦作市,454003)

基于鑫龙煤业红岭煤矿中硬较薄厚煤层15141超短孤岛轻放面的开采条件,采用圆图压力自计仪,连续记录轻型放顶煤液压支架的工作阻力,分析了支架工作阻力的循环变化规律,以及工作面沿面长方向的压力分布特征。

中硬厚煤层 孤岛工作面 放顶煤工作面 轻型液压支架 矿压显现规律 支架适应性

近十几年来,我国逐步试验、发展和完善了轻型放顶煤液压支架综合机械化开采技术(简称轻放开采),与其它放顶煤液压支架相比,轻放支架具有外形尺寸小、重量轻、拆装运方便、安全性好、适用性强等特点,特别适用于地质条件较为复杂的中小型矿井较薄厚煤层、三软煤层、厚度变化大的煤层,也适用于边角煤、残留煤柱的放顶煤开采,是一类很有发展前途的放顶煤液压支架。

目前对超长孤岛综放面条件下的矿压显现规律进行了一些研究,认识到超长孤岛综放面支承压力两端大,中间小,老顶覆岩内的支承压力在工作面前方存在两个峰值区域等。但是,在综合了中硬较薄厚煤层超短孤岛轻放条件下的工作面矿压显现规律却少有研究,因此,研究该条件下顶板支承压力的分布规律及支架的适应性,为今后类似地质条件下实施轻放开采,提高机械化水平,回收煤炭资源和安全高效开采提供技术指导。

1 工作面概况

红岭煤矿15141面为轻放孤岛工作面,回风平巷侧留20 m宽煤柱,运输平巷侧留5 m宽煤柱,工作面埋深537～662 m,走向长度561～582 m,倾斜长度63～133 m,平均80 m,开采面积约43391 m2。工作面开采二1煤层,煤层为单斜构造,倾角12°～15°,厚度4.2～5.2 m,平均5 m,采高2.0 m,放顶煤高度3.0 m,采放比1：1.5,煤层硬度系数1.5～1.9,属于中硬煤,岩石碎胀系数为1.4。工作面采用走向长壁后退式采煤法。15141工作面煤层顶底板特征如表1所示,开采煤层围岩属于易控围岩。

表1 煤层顶底板特征

工作面选用ZF2400－16/24型轻型放顶煤液压支架87架,该支架主要技术指标为支架高度1.6～2.4 m,中心距1.22～1.29 m,初撑力1940 k N,工作阻力2400 k N,支护强度0.553 MPa,底板比压1.3 MPa,支柱缸径120 mm,推移步距600 mm。

2 工作面矿压观测分析

为了研究中硬较薄厚煤层超短孤岛轻放面矿压显现规律的新特点,在15141工作面的上部、中部和下部布置3个测区、5条测线,每条测线1架支架,从机头到机尾自下而上依次为下部的2＃、7＃、中部的26＃、32＃和上部的50＃支架,工作面测站布置示意图见图1。在每个支架前后柱上各安设1台圆图压力自记仪,整个工作面共布置10套,对支架工作阻力进行实时记录。

图1 工作面测站布置图

2.1 工作面沿走向方向的压力分布

自15141工作面推进到距开切眼220 m处,对3个测区进行连续30 d的实时监测,期间,工作面共推进了57.6 m,经历了3次周期来压,对每架支架的工作阻力进行统计分析处理,得出2＃、7＃、26＃、32＃和50＃支架循环末阻力随工作面推进距离的变化曲线,如图2所示,图中可以看出,随工作面推进,支架循环末阻力表现出一定的上下波动,但波幅较小,即工作面动载系数较小,老顶周期来压比较缓和。工作面上部(50＃支架)和下部(2＃和7＃支架)测区支架循环末阻力普遍比中部(26＃和32＃支架)略大些。从矿压监测点开始,工作面推进9.0 m左右,中部测区出现压力峰值,平均1302 k N,推进到13.2 m处,上部和下部测区出现压力峰值,分别为1537 k N、1796 k N,随工作面推进,除26＃支架外,其余4架支架在31.8 m、50.0 m左右处,均出现压力峰值,可以认为工作面周期来压大体一致。

图2 支架循环末阻力与推进距离关系

根据实测数据,整理得出15141工作面老顶来压特征汇总,如表2所示。

(1)工作面上部测区周期来压步距平均20.1 m,来压影响范围2.7 m,动载系数平均1.15。来压与非来压期间支架时间加权工作阻力(Pt)平均1237.9 k N和1075.7 k N,分别占额定工作阻力的51.6%和44.8%。

(2)工作面中部测区周期来压步距平均18.5 m,来压影响范围在4.9～6.5 m,动载系数平均1.30。来压与非来压期间支架时间加权工作阻力平均1078.9 k N和851.5 k N,分别占额定工作阻力的45.0%和35.5%。

(3)工作面下部测区周期来压步距平均18.4 m,来压影响范围在3.9～8.1 m,动载系数平均1.19。来压与非来压期间支架时间加权工作阻力平均1468.7 k N和1250.0 k N,分别占额定工作阻力的61.2%和52.1%。

表2 工作面老顶来压特征

综上所述,孤岛轻放面不同部位顶板来压大体一致,与类似条件下常规工作面相比,老顶来压时动载系数有所减小,尤其是轻放面中部,支架阻力相对较小,不到额定工作阻力的50%,说明在中硬较薄厚煤层超短孤岛轻放面条件下,工作面整体压力有减缓趋势。

2.2 工作面沿倾斜方向的压力分布

图3为轻放面在推进过程中沿倾斜方向顶板压力分布,在工作面推进过程中,沿倾斜方向,工作面压力呈两端大、中部小的特点。之所以形成这样的现象,主要是工作面两端分别受到15121和15161采空区的影响,造成15141成为孤岛工作面,上下端头受压较大,2＃支架循环末阻力最大为1548.8 k N。同时中部测区26＃和32＃支架区域有断层存在,节理比较发育,煤体较破碎,刚度小,吸收了大部分上覆岩层的能量,致使支架受压较小。又由于运输平巷一侧受小煤柱的影响,工作面下部压力高于上部。因此,应加强上下端头及其超前支护巷道部分的顶煤控制,提高围岩的稳定性。

3 工作面支架的承载特征及其适应性分析

3.1 支架支护阻力的频率分布

图3 工作面倾斜方向工作阻力

支架工作阻力反映了工作面顶板的压力大小、支架的适应性以及支护效能的发挥程度,轻放面5条测线支架工作阻力实测整理结果如表3所示,支架初撑力普遍偏低;支架时间加权工作阻力平均1127.7 k N,为额定初撑力(1940 k N)的58.1%;同时支架循环末阻力平均1231.3 k N,为额定初撑力的63.5%;支架时间加权工作阻力最大值平均1473.3 k N,为额定初撑力的75.9%;支架循环末阻力最大值平均1554.7 k N,为额定初撑力的80.1%。这说明支架工作阻力仍有一定的富裕量,其性能没有得到充分的发挥。

图4和图5分别为支架初撑力和循环末阻力的频率分布直方图,从图中可以看出,5架支架平均初撑力在0～500 k N、500～1000 k N、1000～1500 k N、1500～2000 k N和2000～2500 k N区间的分布频率依次为7.23%、39.15%、50.44%、3.17%和0.00%;整体支架平均循环末阻力在相同区间的分布频率依次为3.17%、22.93%、55.73%、16.93%和1.23%,说明支架工作阻力主要集中在500～1500 k N之间。

图5 支架循环末阻力频率分布直方图

3.2 支架前后立柱的压力变化

图6为支架阻力前柱大于后柱频率统计情况,分析表明除50＃支架外其它4架支架循环内的初撑力、循环末阻力和时间加权平均阻力前柱都普遍大于后柱,5个支架循环内的初撑力、循环末阻力和时间加权平均阻力前柱大于后柱的频率依次为75.13%、76.19%和73.54%,这反映了轻放开采支架前后立柱压力变化的新特点。

图6 支架阻力前柱大于后柱频率分布直方图

3.3 工作面支架的工作特性

由于每循环中顶煤不断放出,有时出现超前冒落,工作面支架会发生降阻现象,据统计支柱的降阻运行特性占总计4%～23%,平均12.5%。分析表明工作面上、下、中部支架降阻比例分别占总计4.2%、20.5%、6.3%,上、下部较小,中部较大;支架增阻量在0～2000 k N区间的比例分别占86.2%、91.3%、58.23%;循环增阻速率大多为0～1100 k N/h,在上述区间的比例分别占83.16%、40.54%和89.34%。

可见,在超短孤岛轻放面条件下,支架增阻量在工作面上、下部增加显著,说明轻放面两端上覆岩层活动程度增强,顶板压力显著增加。

3.4 支架的适应性分析

红岭煤矿15141超短孤岛轻放面所用的ZF2400－16/24型轻型放顶煤液压支架,来压期间时间加权工作阻力平均1266.57 k N/架,占额定工作阻力的52.8%,循环末阻力平均1428.59 k N/架,占59.5%。支架循环末阻力大于2000 k N的比例仅为1.23%,工作阻力仍有较大的富裕,支护参数能够适应15141轻放面的覆岩活动规律,保持良好的支架围岩关系,及时有效地防止端面顶煤的冒落,使支架保持较好的位态,确保工作面生产的良性循环。因此,该轻型放顶煤液压支架在15141超短孤岛轻放工作面具有较好的适应性。

4 结论

(1)中硬较薄厚煤层15141超短孤岛轻放面周期来压比较缓和,动载系数平均1.22,不同部位顶板来压大体一致,上、中、下部周期来压步距平均分别为20.1 m、18.5 m和18.4 m。

(2)工作面支架工作阻力普遍前柱大于后柱,降阻量在上、下部增加显著,说明两端上覆岩层活动程度增强,顶板压力显著增加。

(3)来压和非来压期间,沿面长方向工作面压力呈两端大、中部小的特点,且下部高于上部。因此,应加强上下端头及其超前支护巷道部分的顶煤控制,提高围岩的稳定性。

(4)ZF2400－16/24型轻型放顶煤液压支架的支护参数合理,能及时有效地防止端面顶煤的冒落,在15141超短孤岛轻放面具有较好的适应性。

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Research on strata behavior rule and support adaptability in extra short and isolated caving mining face with light supports

Yang Donghui1,2,Li Yongming1,Kang Quanyu2,Zhai Xinxian3
(1．School of Coal Engineering,Shanxi Datong University,Datong,Shanxi 037003,China; 2.Faculty of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 3．School of Electrical Engineering and Automation,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454003,China; 4．School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454003,China)

Based on the mining conditions of No．15141 extra short and isolated caving mining face with light supports in medium-hard and thinner-thick seam in Hongling Coal Mine of Xinlong Mining Group,the working resistances of light hydraulic caving supports were continuously recorded by using circular pressure self-recording instrument,the cyclic change rule of supporting resistance and pressure distribution characteristics along the dip direction of working face were analyzed．

medium-hard and thick coal seam,isolated working face,top-coal caving face, light hydraulic support,strata behavior rule,support adaptability

TD355

A

杨东辉(1986－),男,河南商水人,硕士研究生,主要从事采矿理论与技术的教学和研究。

(责任编辑 张毅玲)

山西大同大学科学研究项目(2013Q6)

杨东辉,李永明,康全玉等.超短孤岛轻放面矿压显现规律及支架适应性研究[J].中国煤炭,2017,43(1): 55－59. Yang Donghui,Li Yongming,Kang Quanyu,et.al.Research on strata behavior rule and support adaptability in extra short and isolated caving mining face with light supports[J].China Coal,2017,43(1):55－59.