液压支架炮采工作面矿压显现规律研究

2019-08-29路建军

山西煤炭 2019年2期

路建军

(长治市郊区煤炭工业局，山西长治 046011)

在炮采工作面采用液压支架支护的开采方式在我国比较鲜见，原因有：一方面，这种方式会增加设备初期投入和开采成本；另一方面，也会使操作更加复杂，灵活性会受到影响。但是，这种支护方式能大大提高支护的承载能力、对围岩变形的适应性以及作业的机械化程度，增强作业安全性，降低工人劳动强度，减少顶板事故。因此，在地质构造比较复杂或顶板稳定性较差的炮采工作面采用液压支架支护有其积极的意义[1-3]。

临沂矿业集团田庄煤矿3601炮采工作面使用泰安煤机厂生产的液压支架支护，由于该矿以前没有采用过液压支架支护条件下的炮采开采方法，因此研究该工作面的矿压显现规律对安全高效开采具有重要意义[4-5]，且能为该技术的推广应用积累宝贵的经验。

1 工作面地质与生产条件概况

1.1 地质概况

3601工作面为二采区南翼第一个采煤工作面，埋深203 m～251 m。工作面主采16上煤，煤层倾角0°～12°，平均7°，厚度1.1 m～1.5 m，平均1.22 m。

据实测分析，煤层直接顶和老顶均为十下灰岩，厚4.85 m～5.75 m，平均5.4 m，致密坚硬，裂隙较发育，为钙质充填，其中，直接顶厚2.8 m，老顶厚2.6 m；直接底为泥岩，厚1.62 m～3.37 m，平均2.71 m，深灰色，块状构造，上有一层约1.2 m的灰白色铝质粘土，松软，遇水易膨胀。

1.2 工作面生产技术状况

3601工作面走向长度为637 m，倾斜长度为272 m，采用对拉面布置，上下面错距为3.6 m～5 m。工作面采用走向长壁采煤法，全部垮落法处理采空区，使用煤电钻人工打眼、装药，爆破落煤，液压支架控制顶板。

工作面总计配置支撑掩护式液压支架212架，上面98架，下面114架，其中上、下顺槽端头各配置1架ZZT3600/12/23型过渡端头支架，中顺槽配置3架ZZH2400/12/23型中巷端头支架。基本支架型号为ZZ2400/08/15。支架初撑力为31.5 MPa，额定工作阻力为39.7 MPa。

2 工作面顶板运动规律分析

2.1 直接顶初次垮落步距

根据现场实测，3601工作面直接顶初垮步距在14.8 m左右。

直接顶初次垮落后，在采空区冒落厚度大致在3.5 m，小于岩层的允许冒落空间高度(约4.02 m)，因此尚有较大空隙未接顶。

2.2 直接顶悬顶距

岩层质量指数是评价岩层稳定性和运动特征的重要参数，反映了岩石的抗压强度、分层厚度和节理裂隙间距这三个影响岩层运动的最主要因素对岩层运动的综合影响[6]。

在直接顶厚度为采高2倍左右的采场进行统计，结果表明：直接顶质量指数uz与悬顶距Ls近似关系如表所示1。

表1 uz-Ls关系表Table 1 Relation of uz-Ls

(1)

式中：uz为直接顶质量指数；n为组成直接顶的岩层数；Hi，u(i)为第i层的厚度和质量指数。

代入数据可求得uz=0.63。根据表1，可知3601工作面悬顶距为2 m左右。

现场观测表明，工作面直接顶垮落后随支架前移，直接顶大多有悬顶现象，通常悬顶在1 m～3 m后基本能自行垮落，个别地方最大悬顶可达到4 m～5 m。

2.3 老顶初次来压步距

类似地，将老顶的基本参数代入式(1)可计算出老顶质量指数uE=0.51。

表2反映了老顶质量指数与其结构形式的关系。由于0.2

表2 质量指数与老顶结构形式关系Table 2 Relation between quality index and main roof structure

由式(2)[7]可计算老顶的初次来压步距:

C0=1.8M+25.7=31.64 m .

(2)

根据《缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类》(MT554-1996)规定，周期来压步距近似为初次来压步距的1/2.5～1/2，因此，周期来压步距大致为12.66 m～15.82 m。

2.4 老顶周期来压步距

在工作面内布置上、中、下3个测站，4条连续监测的支架工作阻力测线[8-9]，从下至上观测支架编号依次为106#、61#、21#和20#。以工作面支架循环末工作阻力的高峰值作为依据来划分，在观测期间共经历了5～7个周期来压，图1列出了各支架位置顶板周期来压步距数值。

图1 各测点处顶板实测来压步距Fig.1 Periodic weighting intervals of measuring points on the roof

由图1数据求得的工作面各部位周期来压步距有较大波动变化，平均为16.47 m。

2.5 合理支护强度的确定

工作面合理支护强度按如下方法综合考虑确定[7]。

1)按直接顶初次垮落步距估算:为防止直接顶第一次垮落时造成切顶事故，所必须的支架承载能力P0z为：

(3)

式中：mz为直接顶厚度，m；γz为直接顶容重，取为2.5×103Kg/m3；L0z为直接顶初次垮落步距，m；Lk为控顶距，根据工作面支架支护情况取为4.5 m。

将有关数值代入上式，可得：P0z=0.11 MPa。

2)按老顶初次来压估算所需支护强度：防止老顶岩梁来压时造成切顶垮落事故所必须的支架承载能力P0E可按下式进行计算：

(4)

A=mzγzfz.

(5)

(6)

式中：mE为老顶厚度，m；LE为老顶岩梁初次断裂步距，m;γE为老顶容重，取为2.5×103 Kg/m3；fz为直接顶悬顶系数；ni为控顶区内支护反力合力作用位置与控顶距的比值，此处取为0.67。

将有关数值代入上式，可得：P0E=0.36 MPa。

3)按正常推进阶段估算所需支护强度：支架对顶板的工作状态有两种形式，一种是“给定变形”，一种是“给定载荷”。本研究以“给定变形”为例进行计算老顶来压期间合理支护强度的确定。所谓“给定变形”指的是老顶的最大下沉量(老顶无阻碍最终沉降量)比较小，支架有足够的下缩空间保证顶板的最大下沉而不被压死，这时支架主要承担直接顶的重量，对老顶采取让压措施，也就是说老顶的荷载由于支架的下缩而被释放了。此时支架所受的载荷为：

P=mzγzfz.

(7)

(8)

式中：x0为控顶区内支护反力合力作用位置，此处取为3 m。

将有关数值代入上式，可得：P=0.11 MPa。

根据上述理论，3601工作面合理支护强度P应不小于0.36 MPa，基本支架型号为ZZ2400/08/15，额定支护强度为0.58MPa，理论计算得到的支护强度P为额定值的62.46%，可见ZZ2400/08/15支架的支护强度满足本工作面顶板支护要求。