大采高綜放開采合理支護強度研究

趙晉亮

(太原理工大學研究生學院礦業工程,山西太原 030000)

大采高綜放開采合理支護強度研究

趙晉亮

(太原理工大學研究生學院礦業工程,山西太原 030000)

本文通過整理及分析近幾十年來國內外的相關研究,結合同忻煤礦實際生產經驗,總結了綜采放頂煤工作面礦壓顯現規律,并對實測的支護阻力進行分析,對支架的適應性進行了評價,為大采高綜放開采合理支護阻力研究提供了現實依據。

大采高綜放開采 支護強度 礦壓顯現特征

1 研究背景

近年來隨著煤機設備的不斷發展，綜放開采和大采高一次采全厚開采技術的不斷成熟，一種新型的開采方法也應運而生，那就是大采高綜放開采。大采高綜放開采結合普通綜放開采和大采高開采的優點，對特厚及巨厚煤層有著很強的適應性，是實現我國高產高效的有效途徑之一。

2 研究的主要內容

根據當前國內外綜放技術研究的現狀和主要的綜放理論，本課題將用理論分析、實驗研究和大量的現場觀測相結合方法，對同忻煤礦綜放面礦壓顯現規律、支架適應性、合理工作阻力和覆巖移動情況等進行研究總結，研究同忻煤礦8100綜放面采場礦壓顯現特征、支架-煤巖的平衡條件等，為合理支護阻力提供參考依據，為頂板控制提供相關參數。

同忻礦8101工作面概況：8101工作面所采煤層為3-5號煤層，蓋山厚度最大492m，最小403m，平均447.5m，走向長度1755～1762m，平均1758.5m，傾斜長度193m，煤層厚度3.77～23.5m平均為15.30m。主采煤層為3-5號煤層，煤層傾角2°～3°，平均為2°30’，煤種為1/3JM QM，硬度系數2～4。直接頂為砂質泥巖及炭質泥巖，厚度0.80～6.50m，斷口平坦，層理發育，性脆易碎；基本頂含礫粗砂巖，厚度2.20～8.30m，成分以石英、長石為主，性脆，易碎，斷口貝殼狀，中夾薄層煤屑。工作面采用單一走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤開采的采煤方法，頂板管理采用自然垮落法。

3 8101綜放面礦壓觀測

3.1 觀測方案及實施方法

采用KJ216型綜采支架壓力在線監測系統對工作面支架的載荷及其工況連續不間斷地監測，工作面監測分站壓力分機布置：8101工作面長199.5米，支架數量118架，在工作面設10個壓力分機，從9#支架開始每間隔9個支架安設一組，分別在9#、19#、29#、39#、49#、59#、69#、79#、89#、109#支架上。以此確定綜采工作面頂板的活動規律，預測頂板周期來壓的規律和強度，評價工作面支架選型對頂板條件開采的適應性。

表3.1 支架阻力分布情況

3.2 工作面支架的承載特性和適應性分析

通過對工作面采集的支架立柱的所有液壓信息進行分析整理后，得出的液壓支架支護阻力分布情況如表3.1所示。

由表3.1可見：

(1)實測結果表明，8101工作面支架支護阻力分布頻率以區間24～30MPa所占比率最大。

(2)8101工作面支架支護阻力＞36MPa占總體支架支護阻力比例不大，在來壓期間，個別支架工作阻力超過額定阻力，安全閥開啟，給工作面安全帶來了隱患，在來壓期間必須加強工作面支護管理。

(3)支架工作阻力分布頻率中，區間0～6MPa的分布頻率占總體分布比率較大，前柱＞36MPa明顯多于后柱，說明前后柱工作阻力大于后柱。

(4)除部分支架阻力開啟安全閥，支架發生壓裂情況， 總體上，支架運行狀態基本上能滿足工作面的支護需求，支架性能可以得到了充分發揮。

3.3 支架工作阻力工作特性與適應性分析

由表3.2統計分析可知，工作面全體支架平均支護阻力為18.31MPa，占額定工作阻力的51.60%，支架是在較富裕工作阻力下運行的，工作阻力可以滿足工作面實際開采的要求。

3.4 工作面礦壓顯現規律分析

3.4.1 工作面周期來壓分析

依據工作面液壓支架的運行狀態即工作阻力的監測結果，并對各測線支架的液壓信息的均值進行分析、統計和計算，由此來研究分析工作面沿走向礦壓分布規律。該工作面頂板來壓周期平均為3～5天，來壓步距多為19.1～26.6m，平均為22.22m，來壓步距相差較大，來壓持續時間較短，在來壓期間，個別支架工作阻力超過額定阻力；另外，從單個支架的變化曲線可以看出在來壓期間很多支架的液柱值都達到38MPa，因此，合理的支護阻力底限值應大于38MPa。

表3.2 支架支護阻力統計分析表

圖3.4 工作面來壓時與未來壓時支架前柱工作阻力對比圖

圖3.5 工作面來壓時與未來壓時支架后柱工作阻力對比圖

3.4.2 來壓時與未來壓時整個工作面支架支護阻力對比分析

通過分析采集到的支架液壓數據，共觀測到10次來壓，為分析來壓時工作面壓力情況，整理典型來壓時間段整個工作面立柱液壓數據，繪制來壓時與未來壓時整個工作面液壓對比曲線圖如圖3.4、圖3.5，黑色曲線代表來壓時整個工作面支架工作阻力變化，立柱液壓在工作面中部達到最大，且在中部極值點相對比較集中，分布面也較廣，在工作面上部和下部也出現了極大值點，分布面不如中部廣，整個工作面立柱液壓值普遍較大，前柱液壓普遍大于后柱。紅色曲線代表基本頂未來壓期間整個工作面支架工作阻力變化。由圖可以得出：立柱液壓集中分區比較明顯，液壓峰值出現在工作面中部，但極值點分布很離散，而工作面上部和下部也出現離散的極大值點，整個工作面立柱液壓分布較來壓時普遍偏低，前柱液壓值普遍大于后柱。

綜上所述，在工作面來壓期間整個工作面立柱液壓出現持續偏高，未來壓時整個工作面立柱液壓分布普遍較低，液壓峰值均出現在工作面中部，且中部液壓分布較上部和下部面廣，來壓時液壓值出現較高的液壓值的分布范圍較大，而未來壓時只出現了相對較為離散的高液壓值，前柱壓力普遍大于后柱。由圖3.4、圖3.5可知，來壓期間，前柱增載系數為1.14，后柱增載系數為1.22。

4 結論

(1)通過地質調研，對在線監測的支護阻力數據分析可知：總體上，支架運行狀態基本上能滿足工作面的支護需求，支架工作狀態良好，現行支架性能得到了充分發揮； 8101工作面支架前后柱載荷比最小為1.07，最大為1.69，平均載荷比為1.35；高支護阻力值在工作面中部分布區域較廣，支柱支護阻力值分布范圍較大，來壓時支護阻力值較未來壓時支護阻力值有一定的波動。

(2)通過相似模擬試驗，得出：相似模擬實驗工作面共推進了432m，觀測到明顯破碎區域約90m，有明顯裂隙的區域約200m，并有多次來壓現象，4次頂板大規模運移現象。由測點觀測的數據顯示，測點隨工作面推進距離的加大，垂直位移和水平位移逐漸增大；隨著工作面的推進，頂板垂直位移量隨著距離煤層頂板高度的增大而減??；對于同一層位的頂板垂直位移曲線呈現出“碗狀”，即中間位移量大，兩邊位移量小。

(3)通過數值模擬與理論分析，建立了大采高綜放工作面的數值模型，得出工作面合理支護強度約為1.18MPa。

(4)通過理論分析的結果得出：合理支架支護強度低限值應為1.468MPa。

[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,2003.09

[2]范維唐.煤炭在能源中處于什么地位[J].中國煤炭,2001.08.

[3]李明忠,劉珂珉,曾明勝等.大采高放頂煤開采技術及其發展前景[J].煤礦開采,2006,10(5):28-29.

趙晉亮(1985—),男,2006年畢業于武漢理工大學,2012年自學考入太原理工大學研究生學院礦業工程系。現任晉煤集團王臺礦監測隊主管技術員,從事技術管理工作,工程師職稱。