大采高放頂煤工作面礦壓顯現規律及圍巖控制研究

劉正和,趙陽升,弓培林,呂兆興

(太原理工大學采礦工藝研究所,太原030024)

綜放工作面采高加大以后頂板巖層垮落后難以充滿采空區,將導致上覆巖層中形成結構的巖層位置及其運動規律都發生了變化,尤其是采高大于3.5 m以后,這種規律將顯著不同于采高在3.5 m以下的工作面。因此,大采高綜放工作面的頂板控制也必然不同于普通綜放工作面。對大采高綜放工作面進行礦壓觀測,研究大采高綜放條件下上覆巖層結構及運動特征,掌握工作面的初次來壓、周期來壓規律,探討支架與圍巖關系及優化液壓支架選型有重要的意義。

1 大采高綜放工作面煤層賦存條件

4106綜放工作面為某礦一號井的第一個工作面,工作面所采煤層為4號煤層,平均煤厚8.72 m。工作面推進長度為1 650 m,工作面長為300 m,采高3.7 m,平均放煤高度5.02 m,采放比為1∶1.36。工作面最大控頂距為6 134 mm,最小控頂距為5 334 mm,端面距不大于424 mm。

工作面頂板：厚度10.7～19.19 m,平均厚15 m,巖性為棕灰-灰白色,以石英為主,長石次之,含暗綠色礦物,長石已經風化,分選差,較硬,下部含黃鐵礦;工作面底板：直接底厚1.98～3.38 m,平均厚2.30 m,巖性為砂質泥巖,褐色,較硬,含植物化石碎片和黃鐵礦,老底厚4.27～6.28 m,平均厚5.20 m,巖性為中粒砂巖,灰白色,以石英為主。

2 大采高放頂煤礦壓顯現規律實測分析

4106綜放工作面全長300 m,共布置液壓支架202架。工作面主要設備配備詳見表1。工作面選取有代表性的五架支架進行支架載荷連續監測,支架編號分別為20號、40號、100號、120號、180號。其中20號、40號代表下部測區,100號、120號代表中部測區,180號代表上部測區。測區布置如圖1所示。

表1 工作面主要設備配備表

2.1 工作面來壓步距分析

根據實測所得支架工作阻力的變化計算工作面來壓步距。20號支架初撐力和末阻力隨工作面推進距離的變化關系曲線如圖2、圖3所示,100號支架初撐力和末阻力隨工作面推進距離變化曲線如圖4、圖5所示,工作面支架平均載荷隨工作面推進距離變化曲線如圖6、圖7所示。工作面下部(40號支架)初次來壓步距為35 m,周期來壓步距6～15 m,平均周期來壓步距10.3 m;工作面中部(100號支架)初次來壓步距為45 m,周期來壓步距8～11 m,平均周周期來壓步距9 m;工作面下部(180號支架)初次來壓步距為49 m,周期來壓步距8～23 m,平均周期來壓步距15.3 m;工作面平均初次來壓步距為44.4 m,周期來壓步距平均為13.32 m。工作面不同位置初次來壓及周期來壓步距見表2。

圖1 測區布置示意圖

圖2 20號支架初撐力隨工作面推進距離變化曲線

圖3 20號支架末阻力隨工作面推進距離變化曲線

圖4 100號支架初撐力隨工作面推進距離變化曲線

圖5 100號支架末阻力隨工作面推進距離變化曲線

圖6 支架平均初撐力隨工作面推進距離的變化曲線

圖7 支架平均末阻力隨工作面推進距離的變化曲線

表2 工作面支架來壓步距特征

2.2 支架載荷分布規律

工作面支架初撐力和末阻力隨推進過程變化特征表明,末阻力與初撐力呈線性變化,末阻力的值與初撐力值大小有關,初撐力大的末阻力也大。工作面機頭、中部、機尾部位的20號、100號和180號支架荷載如表3所示。

表3 工作面支架初末阻力特征

1)20號支架初撐力為8～30 MPa,平均為23.33 MPa;100號支架初撐力為19～30 MPa,平均為26.26 MPa;180號支架初撐力為14～28 MPa,平均為23.25 MPa。由支架平均值可知,工作面中部支架初撐力最大,上部和下部基本相等。3個支架實測初撐力平均24.28 MPa,利用率為支架額定初撐力(31.5 MPa)的77%。圖8為觀測期間測得支架初撐力的頻率分布直方圖,初撐力低于20 MPa的頻率占9%,在20～30 MPa之間的占62%,大于30 MPa的占29%,可見該工作面支架初撐力可以有效的支撐頂板,能減少頂煤和頂板間的離層量,達到控制頂板的目的。

圖8 支架初撐力分布直方圖

2)20號支架循環末阻力為8～38 MPa,平均為25.6 MPa;100號支架循環末阻力為22～46 MPa,平均為36.26 MPa;180號支架循環末阻力為14～39 MPa,平均為26.15 MPa。由循環末阻力平均值可知,工作面中部支架末阻力值最大,下部和上部基本相等。3個支架實測循環末工作阻力平均29.34 MPa,占額定工作阻力的66.7%,從工作面支架循環末阻力均值上看,支架工作阻力有33.3%的富裕度。圖9是觀測期間工作面支架循環末阻力頻數分布直方圖,有5%的支架末阻力低于20 MPa,該部分支架未能有效的支撐頂板,原因可能是支架頂梁未能與頂煤接觸充分或液壓管路漏液造成的;有54%的支架末阻力在20～35 MPa之間,為工作面未來壓期間支架載荷;有27%的支架末阻力在35～45 MPa之間,為工作面來壓期間,支架處于高支撐狀態;有14%的支架末阻力超過其額定工作阻力,說明大采高綜放工作面同樣在來壓期間存在沖擊載荷。

圖9 支架末阻力分布直方圖

圖10 支架初撐力和末阻力的關系曲線

3)根據實測到工作面支架初撐力和末阻力的數據,繪制散點圖10進行統計回歸,總結出支架初撐力和末阻力符合線性增長規律。回歸公式為：

3 大采高放頂煤工作面頂煤破壞高度數值模擬研究

依據4106大采高放頂煤工作面的頂底板賦存條件,利用有限元模擬軟件,對工作面開挖后,頂煤受力進行分析,總結其破碎垮落規律。

圖11 工作面頂煤及圍巖垂直應力分布云圖

圖11 為大采高放頂煤工作面推進至35 m時,工作面頂煤及圍巖垂直應力分布云圖。工作面前方頂煤及頂板處于受壓區域,最大支承壓力為12.6 MPa，大于頂煤的單軸抗壓強度,頂煤被壓裂破壞;工作面后方頂煤為受拉區域,最大拉應力為5.17 MPa,大于頂煤的單軸抗拉強度,頂煤受拉破壞。頂煤在工作面前方支承壓力及后方拉應力雙重作用下破壞較為充分,冒放性較好。

4 結論

1)4106大采高綜放工作面頂板的周期性運動現象比較明顯,工作面上、中、下來壓步距差別不大,頂板初次來壓步距平均為44.4 m,周期來壓步距平均為13.3 m。

2)4106大采高綜放面平均初撐力為額定初撐力的77%,可以有效的支撐頂煤,使頂煤和頂板之間避免出現過多的離層量;末阻力的頻率直方圖呈正態分布,頻率最大值出現在25～30 MPa,但實測過程中,有 14%的支架末阻力超過其額定工作阻力,說明大采高綜放工作面同樣在來壓期間存在沖擊載荷。

3)支架初撐力和末阻力符合線性增長規律。回歸公式為：

[1] 閆少宏,富強.綜放開采頂煤頂板活動規律的研究與應用[M].北京：煤炭工業出版社,2001.

[2] 弓培林.大采高采場圍巖控制理論及應用研究[M].北京：煤炭工業出版社,2006.

[3] 錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].北京：中國礦業大學出版社,2003.

[4] 陳炎光,錢鳴高.中國煤礦采場圍巖控制[M].徐州：中國礦業大學出版社,1994.

[5] 閆少宏,尹希文.大采高綜放開采幾個理論問題的研究[J].煤炭學報,2008,33(5)：481-484.