液壓支架炮采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

路建軍

(長(zhǎng)治市郊區(qū)煤炭工業(yè)局，山西 長(zhǎng)治 046011)

在炮采工作面采用液壓支架支護(hù)的開采方式在我國(guó)比較鮮見，原因有：一方面，這種方式會(huì)增加設(shè)備初期投入和開采成本；另一方面，也會(huì)使操作更加復(fù)雜，靈活性會(huì)受到影響。但是，這種支護(hù)方式能大大提高支護(hù)的承載能力、對(duì)圍巖變形的適應(yīng)性以及作業(yè)的機(jī)械化程度，增強(qiáng)作業(yè)安全性，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少頂板事故。因此，在地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜或頂板穩(wěn)定性較差的炮采工作面采用液壓支架支護(hù)有其積極的意義[1-3]。

臨沂礦業(yè)集團(tuán)田莊煤礦3601炮采工作面使用泰安煤機(jī)廠生產(chǎn)的液壓支架支護(hù)，由于該礦以前沒有采用過液壓支架支護(hù)條件下的炮采開采方法，因此研究該工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律對(duì)安全高效開采具有重要意義[4-5]，且能為該技術(shù)的推廣應(yīng)用積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1 工作面地質(zhì)與生產(chǎn)條件概況

1.1 地質(zhì)概況

3601工作面為二采區(qū)南翼第一個(gè)采煤工作面，埋深203 m～251 m。工作面主采16上煤，煤層傾角0°～12°，平均7°，厚度1.1 m～1.5 m，平均1.22 m。

據(jù)實(shí)測(cè)分析，煤層直接頂和老頂均為十下灰?guī)r，厚4.85 m～5.75 m，平均5.4 m，致密堅(jiān)硬，裂隙較發(fā)育，為鈣質(zhì)充填，其中，直接頂厚2.8 m，老頂厚2.6 m；直接底為泥巖，厚1.62 m～3.37 m，平均2.71 m，深灰色，塊狀構(gòu)造，上有一層約1.2 m的灰白色鋁質(zhì)粘土，松軟，遇水易膨脹。

1.2 工作面生產(chǎn)技術(shù)狀況

3601工作面走向長(zhǎng)度為637 m，傾斜長(zhǎng)度為272 m，采用對(duì)拉面布置，上下面錯(cuò)距為3.6 m～5 m。工作面采用走向長(zhǎng)壁采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)，使用煤電鉆人工打眼、裝藥，爆破落煤，液壓支架控制頂板。

工作面總計(jì)配置支撐掩護(hù)式液壓支架212架，上面98架，下面114架，其中上、下順槽端頭各配置1架ZZT3600/12/23型過渡端頭支架，中順槽配置3架ZZH2400/12/23型中巷端頭支架。基本支架型號(hào)為ZZ2400/08/15。支架初撐力為31.5 MPa，額定工作阻力為39.7 MPa。

2 工作面頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

2.1 直接頂初次垮落步距

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，3601工作面直接頂初垮步距在14.8 m左右。

直接頂初次垮落后，在采空區(qū)冒落厚度大致在3.5 m，小于巖層的允許冒落空間高度(約4.02 m)，因此尚有較大空隙未接頂。

2.2 直接頂懸頂距

巖層質(zhì)量指數(shù)是評(píng)價(jià)巖層穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)特征的重要參數(shù)，反映了巖石的抗壓強(qiáng)度、分層厚度和節(jié)理裂隙間距這三個(gè)影響巖層運(yùn)動(dòng)的最主要因素對(duì)巖層運(yùn)動(dòng)的綜合影響[6]。

在直接頂厚度為采高2倍左右的采場(chǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：直接頂質(zhì)量指數(shù)uz與懸頂距Ls近似關(guān)系如表所示1。

表1 uz-Ls關(guān)系表Table 1 Relation of uz-Ls

(1)

式中：uz為直接頂質(zhì)量指數(shù)；n為組成直接頂?shù)膸r層數(shù)；Hi，u(i)為第i層的厚度和質(zhì)量指數(shù)。

代入數(shù)據(jù)可求得uz=0.63。根據(jù)表1，可知3601工作面懸頂距為2 m左右。

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，工作面直接頂垮落后隨支架前移，直接頂大多有懸頂現(xiàn)象，通常懸頂在1 m～3 m后基本能自行垮落，個(gè)別地方最大懸頂可達(dá)到4 m～5 m。

2.3 老頂初次來壓步距

類似地，將老頂?shù)幕緟?shù)代入式(1)可計(jì)算出老頂質(zhì)量指數(shù)uE=0.51。

表2反映了老頂質(zhì)量指數(shù)與其結(jié)構(gòu)形式的關(guān)系。由于0.2

表2 質(zhì)量指數(shù)與老頂結(jié)構(gòu)形式關(guān)系Table 2 Relation between quality index and main roof structure

由式(2)[7]可計(jì)算老頂?shù)某醮蝸韷翰骄?

C0=1.8M+25.7=31.64 m .

(2)

根據(jù)《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類》(MT554-1996)規(guī)定，周期來壓步距近似為初次來壓步距的1/2.5～1/2，因此，周期來壓步距大致為12.66 m～15.82 m。

2.4 老頂周期來壓步距

在工作面內(nèi)布置上、中、下3個(gè)測(cè)站，4條連續(xù)監(jiān)測(cè)的支架工作阻力測(cè)線[8-9]，從下至上觀測(cè)支架編號(hào)依次為106#、61#、21#和20#。以工作面支架循環(huán)末工作阻力的高峰值作為依據(jù)來劃分，在觀測(cè)期間共經(jīng)歷了5～7個(gè)周期來壓，圖1列出了各支架位置頂板周期來壓步距數(shù)值。

圖1 各測(cè)點(diǎn)處頂板實(shí)測(cè)來壓步距Fig.1 Periodic weighting intervals of measuring points on the roof

由圖1數(shù)據(jù)求得的工作面各部位周期來壓步距有較大波動(dòng)變化，平均為16.47 m。

2.5 合理支護(hù)強(qiáng)度的確定

工作面合理支護(hù)強(qiáng)度按如下方法綜合考慮確定[7]。

1)按直接頂初次垮落步距估算:為防止直接頂?shù)谝淮慰迓鋾r(shí)造成切頂事故，所必須的支架承載能力P0z為：

(3)

式中：mz為直接頂厚度，m；γz為直接頂容重，取為2.5×103Kg/m3；L0z為直接頂初次垮落步距，m；Lk為控頂距，根據(jù)工作面支架支護(hù)情況取為4.5 m。

將有關(guān)數(shù)值代入上式，可得：P0z=0.11 MPa。

2)按老頂初次來壓估算所需支護(hù)強(qiáng)度：防止老頂巖梁來壓時(shí)造成切頂垮落事故所必須的支架承載能力P0E可按下式進(jìn)行計(jì)算：

(4)

A=mzγzfz.

(5)

(6)

式中：mE為老頂厚度，m；LE為老頂巖梁初次斷裂步距，m;γE為老頂容重，取為2.5×103 Kg/m3；fz為直接頂懸頂系數(shù)；ni為控頂區(qū)內(nèi)支護(hù)反力合力作用位置與控頂距的比值，此處取為0.67。

將有關(guān)數(shù)值代入上式，可得：P0E=0.36 MPa。

3)按正常推進(jìn)階段估算所需支護(hù)強(qiáng)度：支架對(duì)頂板的工作狀態(tài)有兩種形式，一種是“給定變形”，一種是“給定載荷”。本研究以“給定變形”為例進(jìn)行計(jì)算老頂來壓期間合理支護(hù)強(qiáng)度的確定。所謂“給定變形”指的是老頂?shù)淖畲笙鲁亮?老頂無阻礙最終沉降量)比較小，支架有足夠的下縮空間保證頂板的最大下沉而不被壓死，這時(shí)支架主要承擔(dān)直接頂?shù)闹亓浚瑢?duì)老頂采取讓壓措施，也就是說老頂?shù)暮奢d由于支架的下縮而被釋放了。此時(shí)支架所受的載荷為：

P=mzγzfz.

(7)

(8)

式中：x0為控頂區(qū)內(nèi)支護(hù)反力合力作用位置，此處取為3 m。

將有關(guān)數(shù)值代入上式，可得：P=0.11 MPa。

根據(jù)上述理論，3601工作面合理支護(hù)強(qiáng)度P應(yīng)不小于0.36 MPa，基本支架型號(hào)為ZZ2400/08/15，額定支護(hù)強(qiáng)度為0.58MPa，理論計(jì)算得到的支護(hù)強(qiáng)度P為額定值的62.46%，可見ZZ2400/08/15支架的支護(hù)強(qiáng)度滿足本工作面頂板支護(hù)要求。

3 工作面礦壓顯現(xiàn)特征

3.1 頂板來壓期間支架工作阻力變化

頂板運(yùn)動(dòng)引起的工作面不同位置頂板來壓對(duì)支架阻力的影響見圖2，共統(tǒng)計(jì)了5～7個(gè)周期來壓的頂板壓力顯現(xiàn)情況，表3為各支架頂板來壓時(shí)的平均動(dòng)壓比。

圖2 實(shí)測(cè)頂板來壓時(shí)各支架活柱工作阻力Fig.2 Working resistance of supporting pillars during roof weighting

壓力部位106#61#21#20#綜合動(dòng)壓比1.591.632.452.291.64

由上述測(cè)試數(shù)據(jù)及支護(hù)阻力分布情況可以看出：

1) 周期來壓時(shí)支架的平均動(dòng)載系數(shù)為1.64，屬周期來壓較明顯的炮采工作面。

2)老頂周期來壓時(shí)工作面上部和下部礦山壓力顯現(xiàn)較明顯，相對(duì)而言，中部的礦山壓力顯現(xiàn)較弱。

3) 上部21#、20#和中部61#支架來壓前后支架工作阻力分布差距較大。而下部106#支架來壓前后支架工作阻力分布差距較小。

3.2 老頂周期來壓步距

通過對(duì)老頂5個(gè)周期來壓的觀測(cè)，周期來壓的持續(xù)步距統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3和表4。可見，頂板來壓前，工作面不同部位老頂?shù)膩韷翰骄嘞嗖畈淮螅焕享攣韷撼掷m(xù)時(shí)間的差異性較大，工作面有明顯的分段來壓現(xiàn)象，工作面下部老頂先來壓，中部次之，上部來壓最晚。

圖3 頂板周期來壓持續(xù)步距/mFig.3 Continuous interval of roof periodic weighting

壓力部位106#61#21#20#平均來壓前13.912.415.514.714.1來壓時(shí)1.62.881.943.222.41

4 工作面超前支承壓力顯現(xiàn)規(guī)律

4.1 工作面順槽巷道圍巖變形

3601工作面兩巷的平均圍巖平均移近量曲線見圖4。由圖可知下順槽和上順槽的頂?shù)装搴蛢蓭鸵平慷贾饕性诠ぷ髅媲胺郊s20 m范圍內(nèi)，且距工作面煤壁越近，移近速度越快。從整體變化趨勢(shì)上來看，下順槽的頂?shù)装逡平棵黠@小于兩幫移近量，而上順槽內(nèi)兩幫移近量與頂?shù)装逡平肯嗖畈淮蟆?/p>

4-a 下順槽

4-b 上順槽圖4 工作面兩巷圍巖平均移近量Fig.4 Average convergence of surrounding rock between two roadways in working face

4.2 超前支護(hù)單體液壓支柱載荷變化規(guī)律分析

隨著工作面推進(jìn)，巷道前方應(yīng)力集中程度逐漸加大，在老頂斷裂時(shí)達(dá)到最大，超前支護(hù)區(qū)的單體液壓支柱載荷變化也說明了這一點(diǎn)。圖5為下順槽和上順槽超前支護(hù)單體支柱各循環(huán)平均載荷隨距工作面距離變化的曲線圖。

5-a 下順槽

5-b 上順槽圖5 工作面兩巷超前支護(hù)單體支柱各循環(huán)平均工作阻力Fig.5 Average working resistance of single prop of advance support of two roadways in working face

由圖5可知，順槽在工作面前方20 m處已經(jīng)受到采動(dòng)影響，在工作面前方8 m處單體液壓支柱承受荷載最大，在8 m范圍之內(nèi)和之外單體液壓支柱承受荷載都有減小的趨勢(shì)，由此推斷，工作面上、下順槽的超前支承壓力峰值均在工作面前方8 m左右處，而工作面采動(dòng)影響范圍約在工作面前方0～20 m。

5 結(jié)論

在3601工作面現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦山壓力理論，對(duì)液壓支架炮采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了全面分析，得出以下主要結(jié)論：

1)3601工作面直接頂初次垮落步距為14.8 m，老頂初次來壓步距為31.64 m，老頂周期來壓步距為16.47 m。

2)3601工作面老頂周期來壓時(shí)支架的平均動(dòng)載系數(shù)為1.64，屬于周期來壓較明顯的炮采工作面；老頂周期來壓時(shí)工作面上部和下部礦山壓力顯現(xiàn)較明顯，中部的礦山壓力顯現(xiàn)較弱；工作面有明顯的分段來壓現(xiàn)象，工作面下部老頂先來壓，中部次之，上部來壓最晚。

3)工作面超前支承壓力峰值在工作面前方8 m左右，采動(dòng)影響范圍約在工作面前方0～20 m。