保德矿8#厚煤层综放工作面合理支护强度研究

王 宇

(中国神华榆林神华能源股份有限责任公司 青龙寺煤矿,陕西 神木 719300)

保德矿8#厚煤层综放工作面合理支护强度研究

王 宇

(中国神华榆林神华能源股份有限责任公司 青龙寺煤矿,陕西 神木 719300)

基于保德煤矿8#厚煤层顶板岩性及组成情况,对8#煤层顶板进行类型划分与评价,通过对81304综放面矿压规律的实测分析,从矿压显现强度、支架接顶状态和煤壁片帮等方面综合考虑,建议将原架型由2柱式综放支架改为4柱式放煤支架,并提高支架工作阻力和支护强度。采用理论计算和工作面实测分析相结合的方法,对该矿综放工作面液压支架合理支护强度进行分析,确定采场支架合理支护强度为1.35 MPa。

厚煤层;综放液压支架;矿压显现;支护强度

随着我国煤炭工业的快速发展,煤炭开采工艺及机械化水平得到了较大的提升[1]。矿井支护水平也日益凸显其重要性,特别是厚煤层综放工作面,液压支架的载荷选择对于改善工作面的顶煤控制、提高顶煤采出率及经济效益至关重要。支架工作阻力较低将导致周期来压显现强度大、来压系数高,造成煤壁大范围片帮;支架工作阻力过高,将会使设备投入较大,导致顶煤在控顶区支架后方难以及时垮落,降低顶煤采出率[2]。

本文根据保德煤矿8#厚煤层顶板岩性及组成情况,对8#煤层顶板进行了类型划分与评价,通过对综放面矿压规律实测分析,得出了支架的支护强度对工作面的稳定性的影响,从而确定保德煤矿8#厚煤层综放工作面的合理支护强度,以保证工作面安全、高效生产。

1 8#煤层顶板岩层结构组成分析及类型划分

1.1井下顶板钻孔探测的岩性组成及柱状情况分析

保德煤矿8#煤层现开采81304工作面,根据8#煤层及其顶底板柱状情况并结合矿方已开采现状分析,矿井8#煤层赋存比较稳定,平均厚7.42 m,直接顶多为砂质泥岩或泥岩,间或有细砾砂岩和含砾粗砂岩,厚度为0 m～6.10 m,均厚3.11 m;基本顶为粗砂岩,厚度为4.38 m～12.14 m,均厚为7.70 m;基本顶之上的随动载荷层厚度平均为4.22 m。

在未开采的81305、81306和81307工作面回风巷顶板施工,得到不同综放面的顶板岩层结构,如表1所示。

表1 不同综放面的顶板岩层结构比较Table 1 Roof strata structure comparison of different fully mechanized caving faces

由表1可知,81305工作面直接顶最厚,基本顶厚度较大,因此矿压显现较强;81306工作面直接顶厚度减小,基本顶厚度适中,但带有自身的载荷层,

因此矿压显现强度是增强的;81307工作面直接顶均厚相对最小,基本顶厚度最大,其矿压显现强度应为最强。基于此分析,保德矿三盘区8#号煤层,在使用综放开采工艺后续开采余下的工作面时,应增大综放支架的额定工作阻力,提高支护强度。

1.28#煤层顶板类型划分与评价

依据井下钻孔的顶板分析结果,保德矿三盘区8#煤层综放采场煤层厚度钻孔均值为7.42 m,采高为6.67 m。按照90%的煤炭回收率计算,其直接顶厚度均值为3.11 m,则工作面的煤岩组合直接顶厚度为3.85 m。此时直接顶厚度与采高比值Km为

式中:Σh为直接顶厚度,m;M为采高,m。

依据山东科技大学提供的81300-1综放工作面初次来压步距55.3 m,按照顶板分类标准如表2如示,三盘区8#煤层顶板应为III级强烈来压顶板。

表2 基本顶分级标准Table 2 Classification of basic roofs

2 保德矿81304工作面矿压显现的实测分析

根据保德矿81304综放面发生的压架事故情况,决定在81304工作面压架频繁发生的区域,选择67#、68#、61#、62#和53#支架等关键位置,安设支架压力监测仪器,同时兼顾机头部30#支架和机尾部120、121#支架,实施中部、上下部不同区域的矿压显现监测,观测仪器的布置情况，见图1。

图1 81304综放采场矿压监测仪器布置Fig.1 Mine pressure monitoring equipment layout on No. 81304 fully-mechanized caving face

基于81304综放面矿压显现监测的资料,分析81304综放面的周期来压步距、周期来压强度、最大最小强度以及大小周期压显现的情况及其周期步距规律性,为后续工作面支架设计与支护强度参数的确定奠定基础。

2.181304综放面周期来压参数分析

根据监测支架及其载荷变化的分析,81304工作面周期来压步距变化在10.2 m～19 m,平均周期来压步距为14.3 m。实际预测支架支护强度时,可以选用19 m的周期来压步距参数，如表3所示。

表3 81304综放面矿压显现强度实测结果Table 3 Pressure intensity of strata behavior on No. 81304 fully mechanized caving face

依据实际矿压观测结果,得出支架初撑均值变化在20.1 MPa～25.1 MPa,总均值为22.81 MPa,仅为支架设定初撑出口压强(31.5 MPa)的72.4%,初撑压强达不到要求;末阻均值变化在29.6 MPa～38.9 MPa,总平均值为34.43 MPa,比额定初撑阻力高10%左右;周期来压期间,最大工作阻力为45.2 MPa～51.3 MPa,均值为48.68 MPa,为设定额定工作阻力(49.5 MPa)的98%。

由81304综放面矿压监测分析结果可知,整个监测期间,末阻力与初阻力的比值变化在1.32～1.83,总平均比值为1.51。宏观观测结果表明,应该提高支架的初撑力,缩小末初阻力比,使其满足1.25的比值,达到良好的综放采场顶板安全控制的效果。81304综放面周期来压系数变化在1.32～1.62之间,平均来压系数为1.41,可见周期来压显现强度显著,设计支架时应尽量提高支架的额定工作阻力。

2.281304工作面顶板控制效果以及运行状态分析

由于8号煤层综放采场厚层砂岩顶板的存在,来压期间支架不能有效控制综放采场的顶板。支架仰头架数变化在31#—61#架之间,约占工作面支架总数的1/5～2/5。正常开采期间,支架接顶状态趋于好转,但仍有11-46架的接顶状态不好,约占总数的1/10～1/3。说明周期来压期间顶板压力的合理作用点靠近立柱后方,因此架型结构应予以改进,最好改为4柱综放支架。

对81304综放面观测期间,机道漏顶情况统计数据表明,81304工作面机道顶板漏(冒)顶范围最小涉及支架总数7%,最多涉及42%,约为1/10～2/5,冒高2 m～3 m,冒宽1.0 m,说明现用支架在控制保德矿三盘区8#煤层地质条件下的综放采场顶板效果方面,表现欠佳。

3 8号煤层综放开采的合理支护强度预测

3.1《缓倾斜煤层顶板分类试行方案》中支护强度回归公式

在《缓倾斜煤层顶板分类方案》中,支架支护强度的回归计算公式为

pH=72.3hm+4.5L0+78.9Bc-10.24N-62.1 .

(1)

式中:pH为额定支护强度,kPa;hm为工作面采高,m;L0为工作面初次来压步距,m;Bc为支架控顶距,包括机道宽度,m;N为直接顶与采高之比(即采空区充填系数)纲。

在保德矿81304工作面,hm=6.67 m,L0=55.3 m,Bc=5.37m(顶梁长+机道宽度850 mm),N=0.58,将这些参数带入式(1),可得保德矿81304工作面的额定支护强度为:1 086.8 kPa。

按照保德矿81304工作面相关参数的计算公式,取1.29的安全系数,需要额定工作阻力为

Qs=ks·pH·A.

(2)

式中:Qs为液压支架额定阻力,kN/架;ks为安全系数;A=Bc·L,其中L为基本顶岩梁断裂步距,取1.75 m。

计算得额定的工作阻力Qs=13 175 kN/架。由此计算结果评价, 保德矿81304工作面支架的设计工作阻力应为13 073 kN/架。预测综放支架的合理支护强度应为qe≥1.39 MPa。据此,选用13 000 kN支架是可行的。

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3.2关键岩层控制理论确定

根据81304工作面周期来压步距16 m～25 m的情况,砂岩顶板厚度20 m～35 m,在考虑基本顶周期来压步距的情况下,实测周期来压步距取Lc=25 m,基本顶厚度取20 m(图2),此时估算支架应该具有的工作阻力P为

(3)

式中:L为基本顶岩梁断裂步距,取1.75 m;γ为直接顶顶板岩层体积力,取值25 kN/m3;∑h为直接顶厚度,取值3.69 m;hi为基本顶厚度,m;γi为基本顶顶板岩层体积力,取值27 kN/m3。

将参数带入式(3),可得保德矿81304工作面的额定工作阻力为12 679 kN/架。

图2 保德矿8号煤综放开采顶煤冒放结构与岩层移动结构Fig.2 Top coal caving and strata movement structure of No.8 full-mechanized mining face in Baode Mine

因此,按三盘区8#煤层综放工作面周期来压情况计算,需要的支架阻力12 679 kN/架,可满足要求。以此为依据,预测综放支架的合理支护强度应为qe≥1.35 MPa。故可选用13 000 kN综放支架,以实现保德矿8#煤层综放开采的顶板安全控制目的。

3.3基于81304综放面矿压监测的额定工作阻力预测

(4)

式中:D为支架中支柱的直径,D=0.38 m。

如按现阶段观测到的周期来压期间,最大末阻力51.3MPa考虑,则8#煤层综放支架的支护强度应为1.24 MPa。实测表明,保德矿8#煤综放支架合理支护强度应为1.17 MPa～1.24 MPa,即大于1.24 MPa即可。

综合上述分析以及国家标准的支护强度回归公式,预测合理支护强度应为1.39 MPa。依据关键岩层控制理论,预测合理支护强度应为1.35 MPa。81304工作面实测分析表明,合理支护强度应为1.24 MPa。全面考虑以上的支护强度预测参数成果,综合平均支护强度为1.32 MPa,最终确定保德矿三盘区8号煤层地质条件下,综放采场支架合理支护强度应为1.35 MPa。

4 结 论

1)工作面顶板岩性厚度和断裂步距直接影响支架所受的载荷大小,依据顶板分类标准,8#煤层顶板应为III级强烈来压顶板。

2)基于81304综放面矿压显现监测的资料分析,从矿压显现强度、支架的接顶状态、煤壁片帮情况和顶板漏顶范围等方面综合考虑,建议将原架型由2柱式综放支架改为4柱式放煤支架,并提高工作阻力和支护强度。架型与支护强度的增加,有利于工作面顶板控制,支架性能得到了充分的发挥。

3)通过理论计算和工作面实测分析,确定在保德矿三盘区8#煤层地质条件下,综放采场支架合理支护强度应为1.35 MPa。

[1] 王引群. 大采高综放工作面支架合理支护强度的确定[J].山西煤炭,2011(11):29-30,36.

WANG Yinqun. Determination of Rational Supporting Strength for Supports on Large-mining-height Fully-mechanized Working Face[J].Shanxi Coal, 2011(11):29-30,36.

[2] 薛挺. 综放工作面液压支架合理支护强度研究[J]. 中州煤炭,2015(11):67-70,74.

XUE Ting.Study on Reasonable Size of Entry Protection Coal Pillar for Scraper Mining in Steeply Inclined Coal Seam[J].Zhongzhou Coal,2015(11):67-70,74.

ReasonableSupportingIntensityofNo.8ThickCoalSeamonFully-mechanizedWorkingFaceinBaodeMine

WANG Yu

(QinglongsiMine,ShenhuaEnergyCo.,Ltd.,ChinaShenhuaGroup,Shenmu719300,China)

According to roof strata and composition of No.8 thick coal seam in Baode Mine, the roof was classified and evaluated. On the analysis of ground pressure behavior, two-column support was recommended to be changed into four-column support in terms of pressure intensity, contacting-roof situation of supports, and rib spalling, in order to increase the working resistance and supporting intensity of the supports. Theoretical calculation and field test were combined to determine the reasonable supporting intensity of the hydraulic supports to be 1.35 MPa.

thick coal seam;hydraulic support in fully mechanized mining face;pressure occurrence; supporting intensity

1672-5050(2017)02-0054-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.04.015

2016-12-12

王宇(1981-),男,黑龙江拜泉人,工程硕士,工程师,从事煤矿生产技术及管理工作。

TD355

A

(编辑:樊 敏)