基于大型綜放端面冒漏頂片幫控制的兩柱支架支護參數研究＊

何富連 田金澤 楊彥宏 張軍輝 翟高峰

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083)

基于大型綜放端面冒漏頂片幫控制的兩柱支架支護參數研究＊

何富連 田金澤 楊彥宏 張軍輝 翟高峰

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083)

現場實測采場礦壓信息,統計綜放端面冒漏片幫分布特征,回歸分析綜放端面冒漏片幫與支護參數的相關性關系,得出冒漏頂片幫控制的關鍵影響因素,評價現有綜放四柱支架對端面冒漏片幫的控制效果,并提出架型改進的合理化建議。分析綜放兩柱支架對端面冒漏片幫的控制效果,數值模擬計算確定綜放兩柱支架關鍵支護參數。

綜放端面 工作面液壓支架 兩柱支架 冒頂 片幫 支護參數

端面的穩定性與頂煤的破碎狀況、裂隙產狀等因素有直接聯系,而在端面無支護空間,裂隙與水平方向的夾角與煤的力學特性和賦存狀態有關。千萬噸級安全高效礦井普遍開掘大型綜放面,但大型綜放端面煤體強度低、穩定性差、承載能力弱,易出現水平拉應力集中,造成嚴重的冒漏頂和煤壁片幫事故,制約了綜放面安全高效開采。綜放兩柱掩護式支架能產生一個水平力作用于頂板,有利于端面穩定性的控制。因此,研究綜放端面煤巖體冒漏頂片幫的關鍵影響因素,確定綜放兩柱支架的支護參數,是解決大型綜放端面控制難題的有效技術探索。

1 工程地質及開采技術條件

中煤平朔煤業公司安家嶺井工二礦9#煤層厚8.9～13.65 m,平均厚度11.69 m,煤層傾角1.8～3.8°,平均2.8°。煤層為半亮-半暗型,油脂光澤,條帶狀結構,裂隙較發育,含夾矸2～7層,夾矸巖性多為黑色粉砂巖,局部中間夾灰褐-黑褐色高嶺石2～3層。直接頂板以中粗砂巖為主,有時為細砂巖,局部有灰黑色泥巖;直接底板以泥質巖類為主,灰色-灰黑色。B906綜放面傾斜長度300.5 m,可采走向長度1610 m,機采高度3.3 m,放煤高度8.4 m?，F采用MGTY750/1800-3.3D型采煤機、195架ZFS10000/23/37型工作面支架、8架 ZFG10000/23/37型過渡支架、SGZ1000/2×1000型前部刮板輸送機、SGZ1200/2×1000型后部刮板輸送機、SZZ1200/700型轉載機及PCM400型破碎機進行配置。

安家嶺井工二礦為千萬噸級安全高效礦井,現采用的四柱支撐掩護式液壓支架雖然已基本實現礦井安全高效開采,但全礦多數綜放面出現過冒頂片幫現象,個別綜放端面煤巖體出現嚴重冒頂片幫事故,如B907工作面端面開采過程中出現過大的冒頂片幫,冒高超過8 m,片深達1～2 m;B906綜放端面煤巖體多次出現小范圍的嚴重冒頂片幫現象。為了使支護裝備更加安全可靠,開展端面穩定性控制的架型改進的研究是非常有必要。

2 綜放端面冒漏片幫關鍵影響因素實測分析

2.1 B906綜放工作面礦壓信息實測

礦壓監測小組對B906綜放工作面支架立柱液壓、支架幾何位態與端面冒漏片幫信息進行現場礦壓信息實測。測站位置分別為工作面 6#、53#、100#、148#和197#液壓支架處。在工作面推進過程中,記錄推進度、采集支架液壓信息數顯表讀數;運用坡度規、鋼卷尺現場實測支架端面距、頂梁臺階、立柱傾斜角、頂梁俯仰角、推運夾角、帶式輸送機傾向角;采用鋼板尺、鋼卷尺觀測端面頂板冒高、冒寬、冒長,冒落巖塊的幾何尺寸及煤壁片幫深度、長度,片幫類型等端面冒漏片幫信息。

2.2 綜放端面冒漏片幫狀況分布特征

統計分析B906綜放面端面煤巖體冒漏頂片幫狀況的現場實測數據,得出B906工作面冒頂片幫狀況分布特征見圖1。由圖1可知,B906綜放工作面冒高、片深小于0.5 m的觀測數據分別占82%和91%,冒(漏)頂、片幫控制狀況基本可以滿足安全高效生產的要求;局部出現超過0.75 m的冒頂片幫現象,主要集中在工作面中部和中上部區域。在以后的開采實踐中要加強中部及中下部區域端面煤巖體的控制,尤其在周期來壓期間。

2.3 端面冒漏片幫與支護參數關系分析

綜放端面冒漏頂片幫狀況和支架幾何位態密切相關,而且受支架液壓大小的影響,為分析冒漏片幫狀況與支護參數相關性關系,引入回歸分析的方法?；貧w分析研究測值變量之間的非確定關系,研究一個隨機變量與一個(或幾個)可控變量之間的相關關系的統計方法。

圖1 冒頂片幫變化特征

取本次實測數據的50組樣本,分別以端面煤巖體冒高和片深為控制目標,以影響控頂效果及片幫狀況的支護參數(包括端面距、頂梁臺階、頂梁俯仰角、支架液壓)為自變量,借助MATLAB程序設計,對觀測數據進行回歸參數計算,選定相關系數r值最大的回歸曲線作為最佳的回歸關系,并檢驗回歸效果的顯著性,所得的回歸曲線方程可確定端面冒漏片幫與支護參數的相關性關系。冒漏頂片幫與支護參數的回歸關系見表1。

表1 冒漏頂片幫與支護參數的回歸關系

回歸分析結果表明,冒高h、片深e隨端面距d、頂梁臺階c、頂梁俯仰角γ的增大而顯著增大,隨支架液壓P的增大而減小,分別呈線性、指數、線性、倒冪函數相關性關系。冒高h與采面片深e情況密切相關,端面冒漏隨著煤體片幫程度的加劇而增大,片幫也隨著冒漏程度的加劇而增大,呈對數函數相關性關系。B906綜放端面冒漏頂的關鍵影響因素為支架液壓和端面距。冒高-支架端面距相關性關系見圖2,片深-支架液壓相關性關系見圖3。ZF10000/23/37D型四柱支撐掩護式放頂煤支架可以較好地控制端面煤巖體的冒頂片幫,但是工作面有時會出現局部嚴重冒頂片幫現象,導致支架-圍巖事故,制約工作面高效回采,建議采用綜放兩柱支架改善端面控制效果。

3 綜放兩柱支架支護參數研究

3.1 綜放兩柱支架控制端面破壞效果分析

綜放兩柱掩護式支架在初撐階段頂梁有向工作面方向的水平運動,能產生一個有效水平力作用于端面煤巖體。改善端面煤巖體的應力分布,降低拉應力破壞區,有利于端面煤巖體破壞的控制。現場實測發現,工作阻力偏低的兩柱掩護式支架控制破壞嚴重的直接頂效果大大好于工作阻力略高的四柱支撐掩護式支架。而且,兩柱掩護式支架采用兩個立柱,支架結構簡單且可靠性高,不會出現前、后立柱受力不均衡的現象,支架立柱的支撐力可以得到充分發揮。

3.2 綜放兩柱支架關鍵支護參數確定

3.2.1 數值計算模型與方案設計

選用UDEC4.0進行數值模擬計算,模擬不同工作阻力、端面距(梁端距)條件下綜放兩柱支架對B906綜放端面冒漏片幫的控制效果,分析確定支護參數的合理設計值范圍,見表2。

表2 模擬方案表

計算模型選取工作面的推進方向為x軸,豎直方向為y軸方向,建立150 m×50 m的計算模型。上邊界施加5.39 MPa的均布鉛垂壓應力,下部底板、左側巖體和右側實體煤簡化為位移邊界條件,圍巖本構關系采用摩爾—庫侖模型。

3.2.2 數值模擬結果分析

端面破壞參數與工作阻力關系見圖4,端面破壞參數與端面距關系曲線見圖5。

由圖5可知,隨著端面距的逐漸增大,端面煤巖體冒落越來越嚴重,片幫程度進一步加深,形成的結構愈加不穩定。端面距小于0.75 m時,端面頂板控制效果較好,端面距為1.0 m時,端面出現頂煤冒漏和煤壁片幫,冒高和片幫深度均在0.5 m左右,但是在端面形成了較好的冒落拱,且拱的兩翼坡度較緩,端面控制開始出現一些困難;端面距為1.5 m時,冒頂和片幫十分嚴重,端面已經難以控制。

由以上分析可知,綜放兩柱支頂掩護式支架端面距控制指標值應小于0.75 m,額定工作阻力合理值為8500 kN。

4 結論

(1)大型綜放端面煤體強度低,易產生指向采空區方向的水平拉應力,出現嚴重端面冒漏片幫事故,綜放兩柱支架可以改善端面煤巖體應力分布,降低拉應力破壞區,有利于綜放端面冒漏片幫控制。

(2)現場實測礦壓信息的MA TLAB程序回歸分析結果表明,安家嶺B906大型綜放面端面冒漏片幫的關鍵影響因素為支架液壓和端面距。

(3)UDEC數值模擬結果表明,安家嶺井工二礦B906大型綜放面兩柱掩護式支架的合理設計值為8500 kN,端面距控制指標為0.75 m。

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[2]方新秋,錢鳴高,曹勝根,繆協興.不同頂煤條件下支架工作阻力的確定[J].巖土工程學報,2002(2)

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(責任編輯 張艷華)

A study of support parameters of two-leg roof supports for control of roof/rib fall on large fully mechanized longwall faces with top coal caving

He Fulian,Tian Jinzhe,Yang Yanhong,Zhang Junhui,Zai Gaofeng
(Faculty of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Haidian,Beijing 100083,China)

Key factors affecting roof/rib fall control are identified,the result of existing fourleg supports in controlling roof/rib fall on fully mechanizedmining with top coal caving is evaluated and recommendations on improving the configuration of supports are made in light of actual ground pressures measured at stopes underground,the calculated characteristics of roof/rib fall distribution and a regression analysis of the correlation between roof/rib fall and support parameters.The result of two-leg supports in controlling roof/rib fall on longwall faces is also analyzed and key parameters for two-leg supports are determined using numerical simulation.

fully mechanizedmining with top coal caving,power support,two-leg supports,roof fall,rib fall,parameter of support

TD355.4

B

＊國家重點基礎研究發展計劃項目資助(2010CB226802);教育部留學回國人員科研啟動基金項目資助(2007-1108)。

何富連(1966-),男,浙江臨海人,中國礦業大學(北京)教授,博士生導師,主要從事礦山壓力與巖層控制、安全技術及災害防治等方面的研究工作。