厚度不稳定煤层工作面阻力监测及支护效果分析

王 兵

(山西三元福达煤业,山西 长治 046000)

厚度不稳定煤层工作面阻力监测及支护效果分析

王 兵

(山西三元福达煤业,山西 长治 046000)

针对河南鹤煤十矿12采区1202工作面不稳定煤层工作面支架支护效果问题,通过经验公式确定支架型号，进一步通过现场监测支架阻力以及支护效果,验证工作面支架的安全性。结果表明:ZH2000/16/24F分体顶梁组合滑移液压支架以及DW25-250/100型单体液压柱适用于不稳定煤层工作面,工作面支架来压较平缓工作状态良好,保证了工作面的安全生产。

不稳定煤层;放顶煤;支架选型

到目前为止,不稳定煤层放顶煤开采技术仍然是采矿工程领域研究的重要课题,国内外依然没有一种采煤方法完全适应各种不稳定煤层的放顶煤开采,无法实现安全生产和经济效益的最佳效果[1-3]。鹤煤十矿12采区1202中工作面,煤厚1.86 m～7.45 m,平均煤厚4.01 m。本文主要针对该厚度不稳定煤层工作面支架进行研究,通过经验公式确定支架型号,通过现场阻力监测确定其可行性。

1 工作面支架选型

1.1支架高度

由于二1煤层属于厚度不稳定煤层,煤层厚度为1.8 m～7.48 m,为了使支架能够更好地服务于整个煤层,对于薄煤层区域既要减少破顶范围,提高采煤效率,也要尽量减少不放煤区域煤层厚度大于采高的顶煤损失量,按照以上原则并依据煤层厚度变化情况,初步确定二1煤炮采高度为2 m;1202中工作面煤层厚度平均4.01 m,根据工作面通风、行人、顶板管理、合理采放比及高产高效要求,选取工作面炮采高度为2 m,采放比约为1∶1.05。依据炮采高度,并考虑一定的备用系数,选用支架的支撑范围为1.6 m～2.4 m。

1.2前探梁伸缩长度

由于工作面直接顶随采随冒,支护要及时,同时为了使采宽与放煤步距相协调,确定前探梁伸缩长度为0.8 m,恰好满足一采一放、及时支护的要求。

1.3支护强度

支护强度主要取决于工作面顶板条件、煤层埋深和采高等因素,放顶煤工作面支架的支护强度不同于其他开采工作面的支架的支护强度[4],实践证明放顶煤工作面的来压强度要低于普通综采工作面的来压强度。根据高产高效的要求,结合鹤煤十矿已有的经验,考虑一定的富余系数,取支架的支护强度QZ=0.8 MPa。

1.4工作阻力

液压支架的工作阻力,是支架的主要参数之一,它代表了支架的支撑能力。当支架的支护强度确定后,根据配套尺寸,确定支架的顶梁长度和控顶距,就可以算出支架的工作阻力[4-6]。

P=QZ(LK+LD)B

P=800×(0.42+2.08)×0.84=1 680 kN.

式中：P为支架的工作阻力,kN;QZ为支架的支护强度,kN/m2;LK为前探伸缩梁探出长度,m;LD为顶梁长度,m;B为支架中心距,m。依照上述计算参数,选择滑移支架型号为ZH2000/16/24F的分体顶梁组合滑移液压支架,除滑移支架外,在工作面两端头还要有单体支柱进行配合使用,选择型号为DW25-250/100型单体液压柱,最大高度为2.50 m,最小高度为1.70 m,工作行程0.8 m,额定工作阻力250 kN,支柱重量58 kg。

2 支架阻力观测及分析

支架支柱阻力观测沿工作面均匀布置6条测线,如工作面变短,可适当减少测线数目,每个测线下的第一排支柱上安设圆图压力自记仪,用以记录支柱的循环压力变化。在支架第5组、19组、37组、57组、73组和75组布置侧线。

超前工作面50 m、70 m,在两个钻场内布置两个测站,在两个测站内分别各打5钻孔,钻孔平行于工作面方向,倾角为26°,每孔内布置1台KSE-Ⅱ-1型钻孔应力计，钻孔高度距底板1.7 m。实测时,根据工作面推进情况安排观测工作。每天观测1次,30 m以内时每天早、中班分别观测1次,并作记录。超前支承压力在距离工作面40 m处的钻场布置观测点。

2.1工作面下部顶板来压规律

图1、图2、图3分别表示1202中工作面下部19#支架的初撑力、循环末工作阻力、时间加权工作阻力与工作面推进距离的关系。19#支架初撑力平均值为858 kN,占滑移支架额定初撑力(1 545 kN)的55.53%;支架平均循环末阻力为1 265 kN,占额定工作阻力(2 000kN)的63.25%;支架平均时间加权工作阻力为1 099 kN,占额定工作阻力的54.95%。

图1 19#架初撑力与推进距离关系 Fig.1 Relation between setting load and advancing distance of No.19 support

图2 19#架循环末阻力与推进距离关系Fig.2 Relation between resistance after loop and advancing distance of No.19 support

图3 19#架时间加权工作阻力与推进距离关系Fig.3 Relation between time weighted working resistance and advancing distance of No.19 support

由图1到图3可知,在观测期间19#支架共来压4次,来压步距最大27 m,最小9 m,平均19 m;影响范围最大2.4 m,最小0.6 m,平均1.4 m。来压期间初撑力为1 145 kN,占额定初撑力的74.1%;来压期间循环末阻力为1 685.56 kN,占额定工作阻力的84.25%;来压期间时间加权工作阻力为1 479.32 kN,占额定工作阻力的73.95%。非来压期间初撑力为820.55 kN,占支架额定初撑力的41.03%;非来压期间循环末阻力1 347.22 kN,占额定工作阻力的67.36%;非来压期间时间加权工作阻力为1 045.55 kN,占额定工作阻力的52.27%。由此可知,来压期间的动压载荷系数分别为:Kt=1.25、Km=1.42。从以上分析可以看出,1202中工作面19#支架来压较平缓,支架工作状态良好。

2.2工作面中部顶板来压规律

图4、图5和图6分别表示1202中工作面中部57#支架的初撑力、循环末工作阻力、时间加权工作阻力与工作面推进距离的关系。

图4 57#架初撑力与推进距离关系 Fig.4 Relation between setting load and advancing distance of No.57 support

图5 57#架循环末阻力与推进距离关系Fig.5 Relation between resistance after loop and advancing distance of No.57 support

图6 57#架时间加权工作阻力与推进距离关系Fig.6 Relation between time weighted working resistance and advancing distance of No.57 support

57#支架初撑力平均值为917 kN,占滑移支架额定初撑力(1 545 kN)的59.35%;支架平均循环末阻力为1 498 kN,占额定工作阻力(2 000 kN)的72.9%;支架平均时间加权工作阻力为1 207 kN,占额定工作阻力的60.4%。由图4到图6可知,在观测期间57#支架共来压两次,来压步距最大17 m,最小10 m,平均13.5 m;影响范围最大2 m,最小0.8 m,平均1.4 m。来压期间初撑力为1 287.56 kN,占额定初撑力的83.33%;来压期间循环末阻力为1 771 kN,占额定工作阻力的88.56%;来压期间时间加权工作阻力为1 662 kN,占额定工作阻力的83.11%。非来压期间初撑力为842.22 kN,占支架额定初撑力的54.51%;非来压期间循环末阻力1 400 kN,占额定工作阻力的70%;非来压期间时间加权工作阻力为1 071.94 kN,占额定工作阻力的53.59%。由此可知,来压期间的动压载荷系数分别为:Kt=1.27、Km=1.55。从以上分析可以看出,1202中工作面57#支架来压较平缓,支架工作状态良好。

2.3工作面上部顶板来压规律

1202中工作面上部75#支架的初撑力、循环末工作阻力、时间加权工作阻力与工作面推进距离的关系。由观察可知,在观测期间75#支架共来压3次,来压步距最大19 m,最小12 m,平均15.5 m;影响范围最大4 m,最小0.6 m,平均2.3 m。来压期间初撑力为1 124 kN,占额定初撑力的72.89%;来压期间循环末阻力为1 569.9 kN,占额定工作阻力的78.49%;来压期间时间加权工作阻力为1 501.39 kN,占额定工作阻力的75.07%。非来压期间初撑力为965.62 kN,占支架额定初撑力的62.5%;非来压期间循环末阻力1 378.5 kN,占额定工作阻力的68.92%;非来压期间时间加权工作阻力为1 310 kN,占额定工作阻力的65.53%。由此可知,来压期间的动压载荷系数分别为:Kt=1.14、Km=1.15。从以上分析可以看出,1202中工作面75#支架来压较平缓,支架工作状态良好。

3 工作面支架整体支护效果分析

在工作面推进过程中,支架的工作阻力反映了顶板来压情况及其支架对工作面的适应情况。要使支架被合理利用,发挥其良好的支护效果,要针对工作面不同位置支架支护状态做出统计,对现今工作面支架存在的不合理性提出修改建议,以达到最佳支架利用和获得良好的支护效果。图7和图8为统计分析得到的工作面不同部位支架支护阻力(循环末阻力、时间加权阻力)频率分布直方图。

7-a 循环末工作阻力

7-b 时间加权工作阻力图7 工作面下部19#支架Fig.7 No.19 support in the lower part of working face

由图7和图8可知,19#、57#、75#支架循环末工作阻力处于支架额定工作阻力40%～80%的比例分别为90%、39%和63%;大于支架额定工作阻力80%比例分别为9%、18%和37%,最大值分别为1 745 kN、1 933 kN、1 732 kN,占额定工作阻力的87%、96.6%和86.6%。未检测到超过支架额定工作阻力的数据。19#、57#、75#支架加权工作阻力处于支架额定工作阻力40%～80%的比例分别为91%、82%、和97%;大于支架额定工作阻力80%比例分别为1%、8%和3%,最大值分别为1 631 kN、1 650 kN、1 622 kN,占额定工作阻力的81.6%、82.5%和81.1%。由以上分析可知,工作面支架利用率大,在支护过程中支架有较好的富余系数,可以对工作面进行良好的支撑。

8-a 循环末工作阻力

8-b 时间加权工作阻力图8 工作面中部57#支架Fig.8 No.57 support in the middle part of working face

4 结论

针对不稳定工作面支架选取问题,确定了ZH2000/16/24F分体顶梁组合滑移液压支架以及DW25-250/100型单体液压柱适合该工作面;进一步通过现场监测支架阻力,来压较平缓,工作面支架利用率大,在支护过程中支架有较好的富余系数,可以对工作面进行良好的支撑,保证了工作面的安全生产,可以为相似案例提供参考。

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ResistanceMonitoringandSupportingEffectofWorkingFaceinCoalSeamwithUnstableThickness

WANGBing

(SanyuanFudaMiningCo.,Ltd.,Changzhi046000,China)

Aiming at supporting effect of 1202 working face in unstable coal seam in No.12 mining area,No.10 Mine,Hebi Coal Group,an empirical formula was used to determine the type of the support.Further field supervision on supporting resistance and effect verified the safety of the support in the working face.The results show that ZH2000/16/24F sliding hydraulic support with split beams and DW25-250/100 single hydraulic columns are suitable for the unstable coal seam.Good working condition with smooth weighting could ensure the safe production of the working face.

unstable coal seam; top coal; support selection

1672-5050(2017)04-0007-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.08.003

2017-05-26

王兵(1979-),男,山西长治人,本科,助理工程师,从事煤矿采掘、支护工作。

TD326

A

(编辑:杨 鹏)