关于沿空掘巷工作面矿压特征与适应支架安全性研究

2023-10-09崔阳

煤 2023年10期

崔阳

(太原煤炭气化(集团)有限责任公司,山西太原 030006)

随着煤矿科学技术水平的不断进步,矿井机械化水平明显提升,综采工作面液压支架工作阻力大幅提高,设备性能以及功能愈加丰富,提高了工作面开采效率。目前,由于矿井开采地质条件的复杂化,工作面矿压显现特征变化较大,导致开采设备的开采适应性差,影响工作面的安全生产[1-3]。为确保综采工作面开采过程中的安全性与稳定性,研究人员对综采工作面液压支架适应性进行了大量研究。秦忠诚等[4]分析了孤岛工作面矿压特征的叠加效应,采用现场观测与数值模拟相结合的方法对液压支架适应性进行了研究;李扬等[5]建立了特厚煤层近远场覆岩结构模型,确定了液压支架工作阻力计算方法,揭示了顶板坚硬岩层失稳是工作面矿压显现的关键因素;张杰等[6]通过相似模拟试验研究了极近距离煤层沟谷地形的矿压显现规律,并对不同阶段下的矿压特征进行了实测分析,验证了工作面支架的合理性。本文以中能煤业3305工作面地质条件为基础,对沿空留巷工作面矿压显现特征进行了实测分析,并验证了重型放顶煤支架适应性,研究结果对矿井相似条件工作面开采具有借鉴意义。

1 工程概况

中能煤矿3305工作面开采煤层为3号煤,煤层厚度平均为5.2 m,倾角平均为5°,工作面顶板岩层为泥岩、中砂岩,底板岩性为泥岩、砂质泥岩,顶底板柱状如图1所示。3305工作面北面为采区大巷,南面为采区边界,采用三巷布置方式,其中33051巷沿相邻3303工作面采空区留设8 m小煤柱掘巷形成,巷道断面宽×高=5.0 m×3.5 m,3305工作面倾斜长度为210 m,推进长度为1 564 m.工作面采用放顶煤开采方式,采高为3 m,放煤高度为2.2 m,液压支架型号为ZY15000/30/67D,采用全部垮落法处理采空区顶板,工作面内共安装支架120套。由于工作面顶板内中砂岩岩层厚度大,在33051巷采用深孔爆破预裂顶板,从而减小采空区悬顶面积。

2 矿压规律实测研究

为监测沿空掘巷工作面矿压显现规律,主要对回采过程中的采场矿压显现特征以及沿空巷道围岩变形特征进行监测分析。在支架内安装工作阻力测站,每隔10架安装1台,共安设12台测站,其中1～4号测站监测工作面上部区域(机头区域),5～8号监测工作面中部区域(工作面51～90号液压支架区域),9～12号监测工作面下部区域(机尾区域)。此外在33051巷超前工作面100 m处布设1个围岩变形监测测站,监测回采过程中巷道围岩的变形情况。

1) 采场矿压显现特征。3305工作面于2022年12月开始回采,截止2023年1月,工作面共回采220 m,取各区域支架工作阻力平均值进行分析。图2 为回采过程中不同区域液压支架工作阻力变化曲线图。

图2 液压支架工作阻力曲线图

从图中可以看出,工作面上部(小煤柱侧)推进至25.3 m时支架工作阻力明显增大,由10 000 kN达到13 000 kN以上,表明此区域开始来压;工作面中部推进至32.5 m时支架工作阻力明显增大,由9 500 kN达到13 000 kN以上,表明此区域开始来压;工作面下部推进至33.9 m时支架工作阻力明显增大,由9 000 kN达到13 400 kN以上,表明此区域开始来压。工作面初次来压步距平均为30.6 m,动载系数在1.33～1.52范围内。初次来压后,在工作面推进至200 m范围内,上部区域发生周期来压10次,来压步距平均为16.5 m;中部区域发生周期来压9次,来压步距平均为21.4 m;下部区域发生周期来压步距8次,周期来压步距平均为22.3 m.

根据上述结果,沿空掘巷工作面在不同区域来压步距相差较大,沿空掘巷侧由于顶板受到二次回采影响,初次来压步距以及周期来压步距明显小于其他区域,但各区域来压时工作阻力相差较小,动载系数基本相同。

2) 沿空掘巷围岩变形特征。图3为回采过程中33051巷围岩变形曲线图。根据监测结果,33051巷围岩变形量随着与工作面距离的减小而逐渐增大,当工作面推进至距测站60 m时,围岩变形速度明显增快,巷道顶底板移近量最大为668 mm,其中顶板下沉量为146 mm,底鼓量为522 mm,变形以底鼓为主,顶板未出现冒顶等情况;两帮变形量最大为275 mm,未出现片帮现象。由于33051巷沿煤层顶板掘进,因此回采期间巷道变形以底鼓为主,需采取措施保证巷道高度,顶板与两帮围岩相对稳定,变形量在可控范围内。

图3 围岩变形曲线图

3 支架适应性分析

1) 工作阻力分析。为保证3305工作面支架选型的合理性,采用方差分析法确定支架额定工作阻力,其计算公式为:

图4为工作面回采过程中支架工作阻力区间分布图。可以看出,工作阻力多分布在9 000～13 000 kN范围内,占比达到96%,并且未出现超过14 000 kN的情况,因此该型号支架能够满足使用需求。

图4 支架工作阻力区间分布图

2) 初撑力分析。对12个测站支架的初撑力进行统计,去其平均值进行分析。由图5可知,12个测站支架初撑力在9 000～10 000 kN范围内,工作面液压支架型号为ZY15000/30/67D,其额定初撑力为12 000 kN,所有测站均无法达到额定初撑力。按照额定初撑力的80%进行计算,符合初撑力要求的支架占比为58.3%.该结果表明,工作面回采过程中初撑力均较小,不利于工作面顶板稳定,限制了支架性能发挥。