杭来湾煤矿30201综采面矿压显现及支架适应性分析*

胡志华,薛雄飞,郭金帅,闫鹏佳,牛佳波,魏上津

(1.陕西有色榆林煤业有限公司,陕西 榆林 719000;2.徐州工程学院 土木工程学院,江苏 徐州 221018)

0 引言

大采高综采工作面顶板岩层运移变化及采场矿压显现具有一定的特殊性[1]。采场开采高度的增加,导致顶板活动空间与基本顶悬臂梁结构之间的弯距、增加了采场压力、采场上覆岩层的冒落高度和断裂带的高度、采场的采动影响所波及的范围都随之增加,容易出现“煤壁片帮-顶板冒落-煤壁片帮”的恶性循环[2-4]。

王国旺等[5]通过相似材料模拟研究了乌兰木伦矿5.0 m工作面的基本顶来压步距及覆岩运移规律;任艳芳等[6]采用数值模拟方法模拟神东矿区某矿围岩应力分布规律以及覆岩变形特征,并分析了采高对工作面上方承压拱结构稳定性的影响;刘学生等[7]以高家梁煤矿为背景采用数值模拟分析了采高、工作面长度对煤层上方导水裂隙带发育程度的影响,结果表明导水裂隙带发育程度与采高、工作面长度成正相关关系,通过现场实测验证了研究成果的准确性;梁运培等[8]通过数值模拟研究了大采高综采面关键层的运动形式,分析不同形式关键层对矿压显现的影响,结合现场数据验证理论研究的准确性。

以杭来湾煤矿首个6.0 m大采高工作面为背景,通过现场实测和理论分析的方法,研究大采高工作面矿压显现规律,以期为后续的工作面开采提供理论依据。

1 工程概况

1.1 工作面采矿地质条件

杭来湾煤矿主采3号煤层,可采煤厚度6.4～8.5 m,平均厚度7.5 m,煤层底板标高为+1 017～+1 041 m,工作面倾角为0.2°～0.5°,平均0.3°。埋深205～260 m,平均埋深233 m,上覆基岩厚度139～199 m,平均厚度169 m,松散层厚度45～81 m,平均厚度63 m。30201工作面为该矿首个大采高综采面,位于井田3号煤层2盘区,沿煤层倾向布置,走向长度5 717.9 m,倾斜长度300 m。沿煤层走向各布置胶运平巷、辅运平巷和回风巷各1条。

煤层直接顶板以粉砂岩、泥岩为主,少量细粒-粗粒长石砂岩,基本顶为延安组第四段底砂岩(真武洞砂岩)中粒长石砂岩,厚度大,稳定性较好。直接底板以粉砂岩、泥岩为主,少量细-粗砂岩、炭质泥岩。30201工作面区段内的3号煤层,从开切眼至回撤通道总体呈缓慢上升趋势,上升的坡度平均约0.3°。在此工作面煤层中未发现落差大于5 m的断层和陷落柱,也未发现大型褶曲构造和火山岩侵入的情况,总体上地质构造条件简单。

1.2 工作面支架参数

30201工作面设备主要包括:两柱支撑掩护式液压支架、采煤机、超前液压支架,工作面设备明细见表1。

表1 工作面设备明细表Table 1 Equipment on working face

2 工作面矿压显现规律

2.1 矿压监测方案

监测设备采用Macro公司生产的综采液压支架支护质量动态监测仪,通过液压支架监测分站对30201工作面150台支架立柱的工作载荷进行实时监测。分别在工作面上部(5#、10#、15#、20#、25#)、中部(65#、70#、75#、80#、85#)、下部(125#、130#、135#、140#、145#)3个位置各选取5台支架具体分析支架的压力变化规律,各测区位置如图1所示。

图1 工作面矿压监测测区布置Fig.1 Measuring area layout of mine pressure monitoring on working face

2.2 支架来压特征值

顶板来压判据见式(1)

pm′=pm+δmp

(1)

式中,pm′为支架来压判据,MPa;pm为观测期间各支架支护阻力平均值,MPa;δmp为支护阻力均方差,MPa。

动载系数是指历次来压时与来压前支护阻力平均值的比值[9-11],可表示为

k=pc/pn

(2)

式中,k为动载系数;pc为顶板来压期间支护阻力平均值,MPa;pn为顶板非来压期间支护阻力平均值,MPa。

30201工作面支架安全阀开启值设定42.0 MPa。支架工作阻力大于安全阀开启值,则视为安全阀开启1次。

2.3 工作面矿压整体显现特征

分别统计2022年7月 22日至8月18日期间,30201工作面支架工作阻力实测数据,如图2所示。

图2 工作面支架工作阻力三维分布Fig.2 3D distribution of support working resistance on working face

以图2(a)为例,7月22日至7月28日期间工作面共推进了约60 m,其中7月22日、7月24日、7月26日、7月28日分别发生了4次来压。其中7月22日工作面来压主要集中在中部40#～125#支架,期间支架工作阻力均大于30 MPa,两端头1#～39#、126#～150#支架的工作阻力则明显小30 MPa;7月24日工作面来压主要集中在40#～115#支架,7月26日集中在60#～115#支架,7月28日集中在25#～110#支架。同理,根据图2可以发现,30201工作面支架工作阻力整体呈现“中间大、两头小”的分布规律,工作面来压主要集中在中部区域,而两端头的来压显现不明显。

2.4 来压特征汇总分析

2.4.1 支架工作阻力分布

根据前文定义的工作面支架来压特征指标(顶板来压判据、动载系数、安全阀开启次数),对2022年7月22日至8月18日期间,30201工作面各个测区所选取的测力支架数据进行分析,相关来压特征值见表2。

表2 工作面各测力支架相关来压特征值汇总表Table 2 Relative weighting feature values of each support on working face

工作面支架平均工作阻力、支架来压判据和最大工作阻力沿工作面方向的分布情况如图3所示。

图3 工作面支架阻力沿工作面方向的分布Fig.3 Distribution of working face’s support resistance along working face direction

由图3(a)可知,支架平均工作阻力、支架来压判据和最大工作阻力沿工作面方向均呈“中间大、两头小”的分布规律,且分布曲线较为对称,整个工作面支架工作阻力平均为30.03 MPa,来压判据平均为34.70 MPa;其中30#～125#支架平均工作阻力均大于28 MPa,来压判据均大于30 MPa,同时来压判据与平均工作阻力差值(均方差)也较大,即工作阻力的离散程度较大,说明此范围内支架不仅压力水平较高,且来压明显;而1#～25#和130#～150#支架上方覆岩因受两端煤柱支承作用,压力水平较低且分布均匀,即来压不明显或基本没有来压现象。由图3(b)可知,支架平均工作阻力、来压判据和最大工作阻力基本都是中部>下部>上部,且两端差值不大。工作面上、下部的覆岩受煤壁支撑,支架工作阻力较小。

2.4.2 支架动载系数

30201工作面支架平均动载系数和最大动载系数沿工作面方向的分布情况如图4所示。

图4 工作面支架动载系数沿工作面方向的分布Fig.4 Distribution of working face’s support loading coefficient along working face direction

由图4(a)可知,支架的平均动载系数和最大动载系数在沿工作面方向的分布规律一致,均呈现“中间大、两头小”分布。整个工作面平均动载系数均值为1.311,最大动载系数均值为1.556。工作面上部1#～40#支架和下部115#～150#支架,动载系数较小,但曲线上升明显,即支架来压强度虽小,但强度增大明显;50#～110#支架动载系数维持高水平状态,且分布均匀、变化小,即此范围内工作面来压强度大且强度相当。由图4(b)可知,最大动载系数和平均动载系数在工作面上中下不同位置均表现为:中部>下部>上部,工作面中部来压较两端强烈。

2.4.3 安全阀开启情况

30201工作面支架安全阀开启次数沿工作面方向的分布情况如图5所示。

图5 工作面支架安全阀开启次数沿工作面方向的分布Fig.5 Distribution of working face’s support safety valve starting times along working face direction

由图5可知,安全阀开启次数沿工作面方向呈多峰曲线,安全阀开启主要集中在工作面中部,即工作面中部支架的压力水平和来压强度明显高于两侧,且下部大于上部。而上部的1#～25#支架及下部的130#～150#支架的安全阀基本不开启或开启次数较少,此范围支架压力水平和来压强度较低。

3 工作面支架适应性分析

3.1 正常开采期间支架工作阻力

3.1.1 正常开采期间支架-顶板力学模型

正常开采期间支架只承受顶板岩层的静态载荷,一般可以分为2部分[12-14]。一部分是直接顶(包括伪顶等垮落岩层)的自身载荷Q1;另一部分是上覆岩层通过基本顶施加到支架的载荷Q2。正常开采期间支架受力模型如图6所示。

图6 正常开采期间支架受力模型Fig.6 Force model of support during normal mining

3.1.2 正常开采期间支架工作阻力验算

直接顶载荷的计算见式(3)

Q1=∑hL1γ

(3)

式中,∑h为伪顶、直接顶等垮落岩层总厚度,m;L1为悬顶距,m;γ为体积力,N/m3。

根据关键层理论分析,基本顶施加载荷可以表示为

(4)

故正常开采期间,支架工作阻力可以表示为

p=bLh(q1+q2)

(5)

式中,b为支架中心距,m;Lh为支架顶梁长度,m。

代入30201工作面开采地质参数,计算可得正常开采期间支架所需载荷为14 700 kN。30201工作面支架型号为ZY21000/36/75D,额定工作阻力为21 000 kN。因此,工作面选用支架能够满足正常开采期间的支护要求。

3.2 周期来压期间支架工作阻力

周期来压期间支架力学模型如图7所示。将基本顶上下各一定厚度的岩层视为弹性介质,并认为近似满足Winkler弹性地基假定,则煤层开采对基本顶造成的扰动压力为

图7 周期来压期间支架力学模型Fig.7 Mechanical model of support during periodic weighting

P=-ky

(6)

式中,P为基本顶受到的扰动压力,MPa;y为基本顶的竖向位移,m;k为Winkler地基系数,MPa/m。

将基本顶岩层视为半无限长梁,承受上下岩层对基本顶的垂向力P和轴向力N,参照Timoshenko梁理论,基本顶的扰曲线方程可表示为

Ely″″+Ny″=P

(7)

式中,弹性模量E在平面应变下,应取E/(1-u2);u为泊松比。

根据边界条件对方程(7)进行求解,可得到扰曲线方程为

(8)

悬臂梁任意截面上弯矩为

M=Ely″

(9)

其中

(10)

式中,h为基本顶厚度,m;E为基本顶弹性模量,GPa;I为基本顶断面矩,m4;ΔS为岩块B两端竖向位移差值,ΔS=h/6;LB为岩块B的长度,m;L′为岩块B的悬伸部分长度,m;Q′为断裂岩块间的剪切力,Q′=LB(γh+q),kN;γ为基本顶岩层的容重;q为基本顶上方岩层的载荷,MPa;N为轴向力,N=LBQ′/2(h-ΔS),kN;k为基本顶下方煤体和直接顶的垫层系数。

对于悬臂梁段,假设其所承受的上部岩层载荷为均布载荷,则有

(11)

将M0和Q0代入式(8)可以得到

(12)

其中

(13)

根据悬臂梁的弯矩分布特点可知,其最大弯矩位于固定端(x=0),最大拉应力可以表示为

(14)

因为岩层的抗拉强度最小,最易发生拉破坏。因此,采用最大拉应力破坏准则进行判断

σmax≤[σt]

(15)

代入之后,可以反算得到F的临界值为

(16)

由于悬臂梁后端没有触矸,也就是后端为自由端,因此Q=N=0,支架临界支护阻力可以表示为

(17)

代入30201工作面参数,计算可得周期来压期间支架所需载荷为17 050 kN,小于ZY21000/36/75D支架额定工作阻力。

根据前文的观测结果表明,支架在来压期间仍然发生安全阀开启情况,主要有两方面。一是ZY21000/36/75D支架在前期布置时,将安全阀开启值设计为42.0 MPa,其对应支架工作阻力约为16 500 kN。因此,周期来压期间有时顶板压力会超过设定的安全阀开启值。二是17 050 kN的工作阻力是根据顶板力学模型估算出来的,而实际的工作面地质条件、开采条件和支架运行状态均较为复杂。因此,有可能出现实际顶板压力大于理论计算值的情况,造成安全阀开启。

3.3 支架控制建议

根据前文分析可知,30201工作面所选用的ZY21000/36/75D能够适应工作面正常生产要求。但在通过某些地质构造复杂区域时可能造成支架工作状态恶化,因此,建议在工作面开采期间及时移架和带压移架,保证工作面支架的支护效果;此外,移架过程中应保证工作面支架的移架速度和移架质量;应加强工作面支架运行状况巡视,及时更换工作性能较差的液压支架部件,保证工作面液压支架的初撑力及工作阻力。

4 结论

(1)30201工作面支架工作阻力整体表现为“中间大、两头小”的分布规律,工作面支架平均工作阻力分别约为30.03 MPa、平均来压判据为34.70 MPa,上、中、下部平均工作阻力分别为31.76 MPa、37.91 MPa和45.44 MPa,平均动载系数分别为1.228、1.413、1.291,支架安全阀平均开启次数分别为7.8、29.5、8.6。

(2)建立了工作面正常开采期间支架-顶板力学模型,在正常开采期间支架只承受垮落带内伪顶、直接顶静态载荷,以及上覆岩层传递到基本顶关键层的载荷,给出了正常开采期间支架工作阻力的计算方法,计算得到正常开采期间支架所需载荷为14 700 kN,小于工作面支架额定工作阻力。

(3)分析了工作面支架-顶板力学关系,给出了保证“悬臂梁”不发生失稳时所需的临界工作阻力计算方法,计算得到周期来压期间支架所需载荷为17050 kN,小于额定工作阻力,工作面支架能够满足要求。