近淺埋煤層大采高綜采面礦壓規律研究

溫賀興，杜福榮，2，孟祥甜，郝震源

（1.內蒙古科技大學礦業工程學院，內蒙古包頭014010；2.神東天隆集團，內蒙古鄂爾多斯017000）

近淺埋煤層大采高綜采面礦壓規律研究

溫賀興1，杜福榮1，2，孟祥甜1，郝震源1

（1.內蒙古科技大學礦業工程學院，內蒙古包頭014010；2.神東天隆集團，內蒙古鄂爾多斯017000）

霍洛灣煤礦所采煤層為近淺埋煤層，其22110工作面為一盤區第四個綜采面，同時也是末采面，工作面賦存條件與接替的二盤區工作面條件及其相似，具體表現在煤層厚度、頂底板巖性、傾角、埋藏深度等。經對其進行礦壓觀測研究及支架適應性，得到工作面來壓步距、過谷溝地形的礦壓規律及支架工作阻力與動載系數，研究結論對二盤區安全高效開采具有現實指導意義，對可能存在的問題得以提前判知與解決。

近淺埋煤層；大采高；礦壓觀測；礦壓規律；支架適應性

近淺埋煤層在淺埋深、薄基巖、厚松散層條件下開采,其支架必須有高工作阻力才能有效控制厚松散層作用下基巖沿煤壁切落。但這必須是建立在綜采機械設備選型合理并保證良好的運行狀況的基礎上的,否則不能實現高產高效[1-2]。

霍洛灣礦年生產能力300萬t,全礦井一個綜采隊，一個連采隊,屬于一井一面高產高效礦井。工作面距地表一般在170m左右,但由于開采煤層賦存條件、煤巖力學性質以及煤層厚度的區域化的存在,特別是煤層埋藏深度的增大使得其大采高綜采工作面的礦壓顯現規律與周邊神東煤炭集團公司下屬的煤礦工作面礦壓規律具有較大差異性,故而在具體生產實踐中沒有具體實例指導,同時國內對基巖較厚的礦壓規律和頂板結構理論研究不多,開采缺乏必要的理論與實踐指導,因此本文通過現場實測與理論分析,對該礦進行礦壓規律分析及支架適應性研究與探討,所得結論能為該礦二盤區的安全高效開采提供理論支持和經驗借鑒,同時為工作面圍巖控制與支架選型設計提供依據[3-4],對可能存在的問題得以提前判知與解決。

1 工作面概況

霍洛灣礦位于東勝煤田補連區東北部,22110工作面采2-2煤,面長200 m,推進長度610 m,煤層傾角1°～3°,煤層厚度5.42～5.96 m,設計采高5m。工作面回風巷道側為800m采空區,進風巷道側為400 m公路保護煤柱。工作面埋深149.6～ 187.2 m,平均171.6 m；基巖厚度125～160 m,松散層厚度24m,為近淺埋長壁工作面條件。

煤層直接頂為1.01m深灰色砂質泥巖,基本頂為16.8m灰白色細砂巖,工作面采用ZY86400/25.5/ 55型掩護式支架,支護強度1.02～1.07MPa,工作阻力42.5MPa,泵站供液額定壓力為31.5MPa[5]。

2 基本頂初次來壓步距理論計算

22110面為第4個綜采面,屬于近淺埋埋藏條件,工作面初采采用深孔預裂爆破強制放頂,同時認為淺部礦井巖層頂板由于兩端煤體上集中壓力較小,因而可視為帶有系數的簡支梁支座[6],從眾多文獻來看,系數一般在65％～75％之間。來壓步距計算式為：

式中：h為基本頂厚度,16.8 m；RT為基本頂抗拉強度,取3.86～4.3MPa；q為單位面積基本頂的載荷, q=9.8hγ=0.41×105MPa（γ是基本頂的巖石密度,取2.510×103kg/m3）。將各參數代入計算得L=38.66～47.12m。

3 工作面礦壓觀測

3.1 礦壓觀測方案

為全面了解掌握礦壓規律,觀測范圍從開切眼起直到推進到160m止,工作面118臺支架分5個測區布置,測區Ⅰ（8#，9#，10#架）；測區Ⅱ（33#，34#， 35#架）；測區Ⅲ（58#，59#，60#架）；測區Ⅳ（83#，84#，85#架）；測區Ⅴ（108#，109#，110#架）[7],見圖1。支架采用重慶航天工業公司KJD127煤礦頂板壓力監測系統和支架EEP對支架壓力進行連續監測,PM4傳感器監測系統采集,設置為15 min采集一次,用系統自帶軟件對數據進行處理。

3.2 工作面礦壓觀測結果

3.2.1 工作面初采期間

工作面放頂前,采高保持3.6～4.0 m之間。由于老頂較厚,同時抗拉強度大,為破壞頂板的完整性,使頂板早日跨落,減少初次來壓步距及巨大載荷, 6月22日在工作面推進4m后打眼放炮,進行強制放頂,形成長205.4 m,寬3 m,深11 m槽,6月26日0點班開始生產。此時逐步提高采高,5刀后達到設計采高。此到工作面初次來壓期間,壓力都不大,在25.5～30MPa間,見圖2。

3.2.2 老頂初次來壓

根據現場實測,工作面自開切眼推進51.2 m時,支架阻力急劇增大,32～77＃支架溢流閥基本開啟,達到42.5 MPa；39～48＃支架間煤壁大面積偏幫,深度0.8～1m；支架后方采空區有劇烈的巖石破裂聲。由此判定工作面初次來壓,來壓步距51.2 m,與爆破效果一般時的理論計算值比較接近。來壓期間與平時支架壓力,見圖3。 3.2.3老頂周期來壓

收集的數據整理成表,見表1。各個測區的周期來壓步距不一,主要表現為采空區側來壓步距比保護煤柱側小,周期來壓步距9.6～16.8m,動載系數1.16～1.56,其中2,3,4三個測站動載系數較大。

4 支架適應性

4.1 支護強度理論計算

圖1 22110工作面礦壓觀測測區布置

圖2 初采期間支架壓力

圖3 來壓期間與平時支架壓力對比

表1 周期來壓期間工作面各測區情況

采用經驗公式計算支護強度式中：P為工作面的支護強度；H為采高,5m；γ為頂板巖石密度,取2.51×103 kg/m3；Κ為工作面支柱應該支護的上覆巖層厚度與采高之比,一般取4～8,按最大支護強度計算,取8[8]。

P=9.8×5×2.510×8=0.98 MPa

計算結果在所選用ZY86400/25.5/55型支架支護強度范圍內。

4.2 支架壓力頻率分布直方圖

對觀測期間內周期來壓時支架壓力數據進行整理,繪制出周期來壓時支架壓力頻率分布直方圖,見圖4。 4.3支架壓力分析

根據礦壓觀測數據,支架初撐力主要分布在25.5 MPa～27.5 MPa之間,平均為工作阻力的63.5％,離初撐力合格值還有較大差距。在首采面開采時,初撐力為34 MPa（額定初撐力）,液壓管路系統容易發生爆裂,故而調至工作阻力的60％。根據經驗及本礦前三個面情況,立柱初撐力小,支撐系統剛度小,支架達到額定工作阻力的時間增長,板下沉量大造成工作面煤頂壁片幫和端面破碎,冒頂現象時有發生,周期來壓時,尤其明顯[9]。因此建議更換液壓管路系統,保證達到額定初撐力。

4.4溝谷地形礦壓

在周期來壓期間,40％的支架溢流閥開啟,達到最大工作阻力,初步認為支架選型時未充分考慮地形條件對工作面頂板壓力的影響,工作面礦壓受到溝谷地形影響較大,特別是在經過溝谷上坡段過程中壓力顯現更大[10]。建議在二盤區開采時,要注意地面的起伏情況,特別是在上坡段期間的周期來壓,制定特別作業規程,加強工作面生產管理。

5 結論

1）工作面初次來壓步距51.2m,周期來壓步距9.6 m～16.8 m；中部偏采空區側步距較正常值小,兩端步距大。

2）工作面支架阻力變化較大,表現為中部偏采空區側大,兩端小,約為1.5倍。

3）建議更換液壓管路系統,確實提高初撐力,使支架工作阻力得到快速發揮,利于頂板管理。

4）設備在二盤區開采是可適用的,針對地表溝谷地形的情況,需提前制定相應措施,避免動載礦壓危害。

圖4 支架壓力頻率分布直方圖

[1]侯忠杰,謝勝華,張杰.地表厚土層淺埋煤層開采模擬實驗研究[J].西安科技大學學報,2003,23（4）：357-360.

[2]閆光準.張家茆14202綜采工作面礦壓規律分析[J].西安科技大學學報,2011,31（5）：515-518.

[3谷拴成,李昂,樊志斌.澄合礦區中厚煤層綜采面礦壓顯現特征研究[J].西安科技大學學報,2012,32（2）：186-192.

[4]崔廷鋒,張東升,范鋼偉.淺埋煤層大采高工作面礦壓顯現規律及支架適應性[J].煤礦科學技術,2011,39（1）：25-28. [5]杜福榮,溫賀興,徐曉宏.近淺埋煤層大采高綜采面上隅角CO治理[J].采礦技術,2013,13（1）：49-51.

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

[7]李金華,谷拴成,李昂.淺埋煤層大采高工作面礦壓顯現規律[J].西安科技大學學報,2010,30（4）：407-416.

[8]陳志,朱川曲,謝東海.老鷹山煤礦綜采面液壓支架支護阻力分析[J].礦業工程研究,2012,27（1）：8-12.

[9]郭朋星,趙輝.大采高支架的適應性與穩定性分析[J].煤炭技術,2010,29（12）：4-6.

[10]許家林,朱衛兵,王曉振.溝谷地形對淺埋煤層礦壓顯現的影響機理[J].煤炭學報,2012,37（2）：179-185.

〔責任編輯 石白云〕

Study on Characteristics of Strata Behavior of Large Mining Height
Fully-Mechanized Mining Coal Face in Shallow Seam

WEN He－xing1，DU Fu－rong1，2，MENG Xiang－tian1，HAO Zhen－yuan1
（1.School ofMining Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou Inner Mongolia，014010；2.Shendong Tianlong Group Co.，Ltd.，Ordos Inner Mongolia，017000）

The 22110 work face is the fourth fullymechanized coal face in panel 1 of Huoluowan coalmine，also the last－mining face，and very similar to the conditions in forthcoming exploitation of panel 2.Aftermine pressure observation and power support suitability，the conclusion has realistic instructive significance on guiding high efficiency and safe mining of panel 2，also it can solve the problem in advance.

shallow seam；large mining height；mine pressure observation；characteristics of stata behavior；power support suitability

TD323

A

2013－08－08

溫賀興（1987－），男，福建龍巖人，在讀碩士，研究方向：礦山壓力與巖層控制。

1674－0874（2013）05－0078－03