杭來灣煤礦30201綜采面礦壓顯現及支架適應性分析*

胡志華,薛雄飛,郭金帥,閆鵬佳,牛佳波,魏上津

(1.陜西有色榆林煤業有限公司,陜西 榆林 719000;2.徐州工程學院 土木工程學院,江蘇 徐州 221018)

0 引言

大采高綜采工作面頂板巖層運移變化及采場礦壓顯現具有一定的特殊性[1]。采場開采高度的增加,導致頂板活動空間與基本頂懸臂梁結構之間的彎距、增加了采場壓力、采場上覆巖層的冒落高度和斷裂帶的高度、采場的采動影響所波及的范圍都隨之增加,容易出現“煤壁片幫-頂板冒落-煤壁片幫”的惡性循環[2-4]。

王國旺等[5]通過相似材料模擬研究了烏蘭木倫礦5.0 m工作面的基本頂來壓步距及覆巖運移規律;任艷芳等[6]采用數值模擬方法模擬神東礦區某礦圍巖應力分布規律以及覆巖變形特征,并分析了采高對工作面上方承壓拱結構穩定性的影響;劉學生等[7]以高家梁煤礦為背景采用數值模擬分析了采高、工作面長度對煤層上方導水裂隙帶發育程度的影響,結果表明導水裂隙帶發育程度與采高、工作面長度成正相關關系,通過現場實測驗證了研究成果的準確性;梁運培等[8]通過數值模擬研究了大采高綜采面關鍵層的運動形式,分析不同形式關鍵層對礦壓顯現的影響,結合現場數據驗證理論研究的準確性。

以杭來灣煤礦首個6.0 m大采高工作面為背景,通過現場實測和理論分析的方法,研究大采高工作面礦壓顯現規律,以期為后續的工作面開采提供理論依據。

1 工程概況

1.1 工作面采礦地質條件

杭來灣煤礦主采3號煤層,可采煤厚度6.4～8.5 m,平均厚度7.5 m,煤層底板標高為+1 017～+1 041 m,工作面傾角為0.2°～0.5°,平均0.3°。埋深205～260 m,平均埋深233 m,上覆基巖厚度139～199 m,平均厚度169 m,松散層厚度45～81 m,平均厚度63 m。30201工作面為該礦首個大采高綜采面,位于井田3號煤層2盤區,沿煤層傾向布置,走向長度5 717.9 m,傾斜長度300 m。沿煤層走向各布置膠運平巷、輔運平巷和回風巷各1條。

煤層直接頂板以粉砂巖、泥巖為主,少量細粒-粗粒長石砂巖,基本頂為延安組第四段底砂巖(真武洞砂巖)中粒長石砂巖,厚度大,穩定性較好。直接底板以粉砂巖、泥巖為主,少量細-粗砂巖、炭質泥巖。30201工作面區段內的3號煤層,從開切眼至回撤通道總體呈緩慢上升趨勢,上升的坡度平均約0.3°。在此工作面煤層中未發現落差大于5 m的斷層和陷落柱,也未發現大型褶曲構造和火山巖侵入的情況,總體上地質構造條件簡單。

1.2 工作面支架參數

30201工作面設備主要包括:兩柱支撐掩護式液壓支架、采煤機、超前液壓支架,工作面設備明細見表1。

表1 工作面設備明細表Table 1 Equipment on working face

2 工作面礦壓顯現規律

2.1 礦壓監測方案

監測設備采用Macro公司生產的綜采液壓支架支護質量動態監測儀,通過液壓支架監測分站對30201工作面150臺支架立柱的工作載荷進行實時監測。分別在工作面上部(5#、10#、15#、20#、25#)、中部(65#、70#、75#、80#、85#)、下部(125#、130#、135#、140#、145#)3個位置各選取5臺支架具體分析支架的壓力變化規律,各測區位置如圖1所示。

圖1 工作面礦壓監測測區布置Fig.1 Measuring area layout of mine pressure monitoring on working face

2.2 支架來壓特征值

頂板來壓判據見式(1)

pm′=pm+δmp

(1)

式中,pm′為支架來壓判據,MPa;pm為觀測期間各支架支護阻力平均值,MPa;δmp為支護阻力均方差,MPa。

動載系數是指歷次來壓時與來壓前支護阻力平均值的比值[9-11],可表示為

k=pc/pn

(2)

式中,k為動載系數;pc為頂板來壓期間支護阻力平均值,MPa;pn為頂板非來壓期間支護阻力平均值,MPa。

30201工作面支架安全閥開啟值設定42.0 MPa。支架工作阻力大于安全閥開啟值,則視為安全閥開啟1次。

2.3 工作面礦壓整體顯現特征

分別統計2022年7月 22日至8月18日期間,30201工作面支架工作阻力實測數據,如圖2所示。

圖2 工作面支架工作阻力三維分布Fig.2 3D distribution of support working resistance on working face

以圖2(a)為例,7月22日至7月28日期間工作面共推進了約60 m,其中7月22日、7月24日、7月26日、7月28日分別發生了4次來壓。其中7月22日工作面來壓主要集中在中部40#～125#支架,期間支架工作阻力均大于30 MPa,兩端頭1#～39#、126#～150#支架的工作阻力則明顯小30 MPa;7月24日工作面來壓主要集中在40#～115#支架,7月26日集中在60#～115#支架,7月28日集中在25#～110#支架。同理,根據圖2可以發現,30201工作面支架工作阻力整體呈現“中間大、兩頭小”的分布規律,工作面來壓主要集中在中部區域,而兩端頭的來壓顯現不明顯。

2.4 來壓特征匯總分析

2.4.1 支架工作阻力分布

根據前文定義的工作面支架來壓特征指標(頂板來壓判據、動載系數、安全閥開啟次數),對2022年7月22日至8月18日期間,30201工作面各個測區所選取的測力支架數據進行分析,相關來壓特征值見表2。

表2 工作面各測力支架相關來壓特征值匯總表Table 2 Relative weighting feature values of each support on working face

工作面支架平均工作阻力、支架來壓判據和最大工作阻力沿工作面方向的分布情況如圖3所示。

圖3 工作面支架阻力沿工作面方向的分布Fig.3 Distribution of working face’s support resistance along working face direction

由圖3(a)可知,支架平均工作阻力、支架來壓判據和最大工作阻力沿工作面方向均呈“中間大、兩頭小”的分布規律,且分布曲線較為對稱,整個工作面支架工作阻力平均為30.03 MPa,來壓判據平均為34.70 MPa;其中30#～125#支架平均工作阻力均大于28 MPa,來壓判據均大于30 MPa,同時來壓判據與平均工作阻力差值(均方差)也較大,即工作阻力的離散程度較大,說明此范圍內支架不僅壓力水平較高,且來壓明顯;而1#～25#和130#～150#支架上方覆巖因受兩端煤柱支承作用,壓力水平較低且分布均勻,即來壓不明顯或基本沒有來壓現象。由圖3(b)可知,支架平均工作阻力、來壓判據和最大工作阻力基本都是中部>下部>上部,且兩端差值不大。工作面上、下部的覆巖受煤壁支撐,支架工作阻力較小。

2.4.2 支架動載系數

30201工作面支架平均動載系數和最大動載系數沿工作面方向的分布情況如圖4所示。

圖4 工作面支架動載系數沿工作面方向的分布Fig.4 Distribution of working face’s support loading coefficient along working face direction

由圖4(a)可知,支架的平均動載系數和最大動載系數在沿工作面方向的分布規律一致,均呈現“中間大、兩頭小”分布。整個工作面平均動載系數均值為1.311,最大動載系數均值為1.556。工作面上部1#～40#支架和下部115#～150#支架,動載系數較小,但曲線上升明顯,即支架來壓強度雖小,但強度增大明顯;50#～110#支架動載系數維持高水平狀態,且分布均勻、變化小,即此范圍內工作面來壓強度大且強度相當。由圖4(b)可知,最大動載系數和平均動載系數在工作面上中下不同位置均表現為:中部>下部>上部,工作面中部來壓較兩端強烈。

2.4.3 安全閥開啟情況

30201工作面支架安全閥開啟次數沿工作面方向的分布情況如圖5所示。

圖5 工作面支架安全閥開啟次數沿工作面方向的分布Fig.5 Distribution of working face’s support safety valve starting times along working face direction

由圖5可知,安全閥開啟次數沿工作面方向呈多峰曲線,安全閥開啟主要集中在工作面中部,即工作面中部支架的壓力水平和來壓強度明顯高于兩側,且下部大于上部。而上部的1#～25#支架及下部的130#～150#支架的安全閥基本不開啟或開啟次數較少,此范圍支架壓力水平和來壓強度較低。

3 工作面支架適應性分析

3.1 正常開采期間支架工作阻力

3.1.1 正常開采期間支架-頂板力學模型

正常開采期間支架只承受頂板巖層的靜態載荷,一般可以分為2部分[12-14]。一部分是直接頂(包括偽頂等垮落巖層)的自身載荷Q1;另一部分是上覆巖層通過基本頂施加到支架的載荷Q2。正常開采期間支架受力模型如圖6所示。

圖6 正常開采期間支架受力模型Fig.6 Force model of support during normal mining

3.1.2 正常開采期間支架工作阻力驗算

直接頂載荷的計算見式(3)

Q1=∑hL1γ

(3)

式中,∑h為偽頂、直接頂等垮落巖層總厚度,m;L1為懸頂距,m;γ為體積力,N/m3。

根據關鍵層理論分析,基本頂施加載荷可以表示為

(4)

故正常開采期間,支架工作阻力可以表示為

p=bLh(q1+q2)

(5)

式中,b為支架中心距,m;Lh為支架頂梁長度,m。

代入30201工作面開采地質參數,計算可得正常開采期間支架所需載荷為14 700 kN。30201工作面支架型號為ZY21000/36/75D,額定工作阻力為21 000 kN。因此,工作面選用支架能夠滿足正常開采期間的支護要求。

3.2 周期來壓期間支架工作阻力

周期來壓期間支架力學模型如圖7所示。將基本頂上下各一定厚度的巖層視為彈性介質,并認為近似滿足Winkler彈性地基假定,則煤層開采對基本頂造成的擾動壓力為

圖7 周期來壓期間支架力學模型Fig.7 Mechanical model of support during periodic weighting

P=-ky

(6)

式中,P為基本頂受到的擾動壓力,MPa;y為基本頂的豎向位移,m;k為Winkler地基系數,MPa/m。

將基本頂巖層視為半無限長梁,承受上下巖層對基本頂的垂向力P和軸向力N,參照Timoshenko梁理論,基本頂的擾曲線方程可表示為

Ely″″+Ny″=P

(7)

式中,彈性模量E在平面應變下,應取E/(1-u2);u為泊松比。

根據邊界條件對方程(7)進行求解,可得到擾曲線方程為

(8)

懸臂梁任意截面上彎矩為

M=Ely″

(9)

其中

(10)

式中,h為基本頂厚度,m;E為基本頂彈性模量,GPa;I為基本頂斷面矩,m4;ΔS為巖塊B兩端豎向位移差值,ΔS=h/6;LB為巖塊B的長度,m;L′為巖塊B的懸伸部分長度,m;Q′為斷裂巖塊間的剪切力,Q′=LB(γh+q),kN;γ為基本頂巖層的容重;q為基本頂上方巖層的載荷,MPa;N為軸向力,N=LBQ′/2(h-ΔS),kN;k為基本頂下方煤體和直接頂的墊層系數。

對于懸臂梁段,假設其所承受的上部巖層載荷為均布載荷,則有

(11)

將M0和Q0代入式(8)可以得到

(12)

其中

(13)

根據懸臂梁的彎矩分布特點可知,其最大彎矩位于固定端(x=0),最大拉應力可以表示為

(14)

因為巖層的抗拉強度最小,最易發生拉破壞。因此,采用最大拉應力破壞準則進行判斷

σmax≤[σt]

(15)

代入之后,可以反算得到F的臨界值為

(16)

由于懸臂梁后端沒有觸矸,也就是后端為自由端,因此Q=N=0,支架臨界支護阻力可以表示為

(17)

代入30201工作面參數,計算可得周期來壓期間支架所需載荷為17 050 kN,小于ZY21000/36/75D支架額定工作阻力。

根據前文的觀測結果表明,支架在來壓期間仍然發生安全閥開啟情況,主要有兩方面。一是ZY21000/36/75D支架在前期布置時,將安全閥開啟值設計為42.0 MPa,其對應支架工作阻力約為16 500 kN。因此,周期來壓期間有時頂板壓力會超過設定的安全閥開啟值。二是17 050 kN的工作阻力是根據頂板力學模型估算出來的,而實際的工作面地質條件、開采條件和支架運行狀態均較為復雜。因此,有可能出現實際頂板壓力大于理論計算值的情況,造成安全閥開啟。

3.3 支架控制建議

根據前文分析可知,30201工作面所選用的ZY21000/36/75D能夠適應工作面正常生產要求。但在通過某些地質構造復雜區域時可能造成支架工作狀態惡化,因此,建議在工作面開采期間及時移架和帶壓移架,保證工作面支架的支護效果;此外,移架過程中應保證工作面支架的移架速度和移架質量;應加強工作面支架運行狀況巡視,及時更換工作性能較差的液壓支架部件,保證工作面液壓支架的初撐力及工作阻力。

4 結論

(1)30201工作面支架工作阻力整體表現為“中間大、兩頭小”的分布規律,工作面支架平均工作阻力分別約為30.03 MPa、平均來壓判據為34.70 MPa,上、中、下部平均工作阻力分別為31.76 MPa、37.91 MPa和45.44 MPa,平均動載系數分別為1.228、1.413、1.291,支架安全閥平均開啟次數分別為7.8、29.5、8.6。

(2)建立了工作面正常開采期間支架-頂板力學模型,在正常開采期間支架只承受垮落帶內偽頂、直接頂靜態載荷,以及上覆巖層傳遞到基本頂關鍵層的載荷,給出了正常開采期間支架工作阻力的計算方法,計算得到正常開采期間支架所需載荷為14 700 kN,小于工作面支架額定工作阻力。

(3)分析了工作面支架-頂板力學關系,給出了保證“懸臂梁”不發生失穩時所需的臨界工作阻力計算方法,計算得到周期來壓期間支架所需載荷為17050 kN,小于額定工作阻力,工作面支架能夠滿足要求。