近浅埋煤层大采高综采面矿压规律研究

温贺兴，杜福荣，2，孟祥甜，郝震源

（1.内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古包头014010；2.神东天隆集团，内蒙古鄂尔多斯017000）

近浅埋煤层大采高综采面矿压规律研究

温贺兴1，杜福荣1，2，孟祥甜1，郝震源1

（1.内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古包头014010；2.神东天隆集团，内蒙古鄂尔多斯017000）

霍洛湾煤矿所采煤层为近浅埋煤层，其22110工作面为一盘区第四个综采面，同时也是末采面，工作面赋存条件与接替的二盘区工作面条件及其相似，具体表现在煤层厚度、顶底板岩性、倾角、埋藏深度等。经对其进行矿压观测研究及支架适应性，得到工作面来压步距、过谷沟地形的矿压规律及支架工作阻力与动载系数，研究结论对二盘区安全高效开采具有现实指导意义，对可能存在的问题得以提前判知与解决。

近浅埋煤层；大采高；矿压观测；矿压规律；支架适应性

近浅埋煤层在浅埋深、薄基岩、厚松散层条件下开采,其支架必须有高工作阻力才能有效控制厚松散层作用下基岩沿煤壁切落。但这必须是建立在综采机械设备选型合理并保证良好的运行状况的基础上的,否则不能实现高产高效[1-2]。

霍洛湾矿年生产能力300万t,全矿井一个综采队，一个连采队,属于一井一面高产高效矿井。工作面距地表一般在170m左右,但由于开采煤层赋存条件、煤岩力学性质以及煤层厚度的区域化的存在,特别是煤层埋藏深度的增大使得其大采高综采工作面的矿压显现规律与周边神东煤炭集团公司下属的煤矿工作面矿压规律具有较大差异性,故而在具体生产实践中没有具体实例指导,同时国内对基岩较厚的矿压规律和顶板结构理论研究不多,开采缺乏必要的理论与实践指导,因此本文通过现场实测与理论分析,对该矿进行矿压规律分析及支架适应性研究与探讨,所得结论能为该矿二盘区的安全高效开采提供理论支持和经验借鉴,同时为工作面围岩控制与支架选型设计提供依据[3-4],对可能存在的问题得以提前判知与解决。

1 工作面概况

霍洛湾矿位于东胜煤田补连区东北部,22110工作面采2-2煤,面长200 m,推进长度610 m,煤层倾角1°～3°,煤层厚度5.42～5.96 m,设计采高5m。工作面回风巷道侧为800m采空区,进风巷道侧为400 m公路保护煤柱。工作面埋深149.6～ 187.2 m,平均171.6 m；基岩厚度125～160 m,松散层厚度24m,为近浅埋长壁工作面条件。

煤层直接顶为1.01m深灰色砂质泥岩,基本顶为16.8m灰白色细砂岩,工作面采用ZY86400/25.5/ 55型掩护式支架,支护强度1.02～1.07MPa,工作阻力42.5MPa,泵站供液额定压力为31.5MPa[5]。

2 基本顶初次来压步距理论计算

22110面为第4个综采面,属于近浅埋埋藏条件,工作面初采采用深孔预裂爆破强制放顶,同时认为浅部矿井岩层顶板由于两端煤体上集中压力较小,因而可视为带有系数的简支梁支座[6],从众多文献来看,系数一般在65％～75％之间。来压步距计算式为：

式中：h为基本顶厚度,16.8 m；RT为基本顶抗拉强度,取3.86～4.3MPa；q为单位面积基本顶的载荷, q=9.8hγ=0.41×105MPa（γ是基本顶的岩石密度,取2.510×103kg/m3）。将各参数代入计算得L=38.66～47.12m。

3 工作面矿压观测

3.1 矿压观测方案

为全面了解掌握矿压规律,观测范围从开切眼起直到推进到160m止,工作面118台支架分5个测区布置,测区Ⅰ（8#，9#，10#架）；测区Ⅱ（33#，34#， 35#架）；测区Ⅲ（58#，59#，60#架）；测区Ⅳ（83#，84#，85#架）；测区Ⅴ（108#，109#，110#架）[7],见图1。支架采用重庆航天工业公司KJD127煤矿顶板压力监测系统和支架EEP对支架压力进行连续监测,PM4传感器监测系统采集,设置为15 min采集一次,用系统自带软件对数据进行处理。

3.2 工作面矿压观测结果

3.2.1 工作面初采期间

工作面放顶前,采高保持3.6～4.0 m之间。由于老顶较厚,同时抗拉强度大,为破坏顶板的完整性,使顶板早日跨落,减少初次来压步距及巨大载荷, 6月22日在工作面推进4m后打眼放炮,进行强制放顶,形成长205.4 m,宽3 m,深11 m槽,6月26日0点班开始生产。此时逐步提高采高,5刀后达到设计采高。此到工作面初次来压期间,压力都不大,在25.5～30MPa间,见图2。

3.2.2 老顶初次来压

根据现场实测,工作面自开切眼推进51.2 m时,支架阻力急剧增大,32～77＃支架溢流阀基本开启,达到42.5 MPa；39～48＃支架间煤壁大面积偏帮,深度0.8～1m；支架后方采空区有剧烈的岩石破裂声。由此判定工作面初次来压,来压步距51.2 m,与爆破效果一般时的理论计算值比较接近。来压期间与平时支架压力,见图3。 3.2.3老顶周期来压

收集的数据整理成表,见表1。各个测区的周期来压步距不一,主要表现为采空区侧来压步距比保护煤柱侧小,周期来压步距9.6～16.8m,动载系数1.16～1.56,其中2,3,4三个测站动载系数较大。

4 支架适应性

4.1 支护强度理论计算

图1 22110工作面矿压观测测区布置

图2 初采期间支架压力

图3 来压期间与平时支架压力对比

表1 周期来压期间工作面各测区情况

采用经验公式计算支护强度式中：P为工作面的支护强度；H为采高,5m；γ为顶板岩石密度,取2.51×103 kg/m3；Κ为工作面支柱应该支护的上覆岩层厚度与采高之比,一般取4～8,按最大支护强度计算,取8[8]。

P=9.8×5×2.510×8=0.98 MPa

计算结果在所选用ZY86400/25.5/55型支架支护强度范围内。

4.2 支架压力频率分布直方图

对观测期间内周期来压时支架压力数据进行整理,绘制出周期来压时支架压力频率分布直方图,见图4。 4.3支架压力分析

根据矿压观测数据,支架初撑力主要分布在25.5 MPa～27.5 MPa之间,平均为工作阻力的63.5％,离初撑力合格值还有较大差距。在首采面开采时,初撑力为34 MPa（额定初撑力）,液压管路系统容易发生爆裂,故而调至工作阻力的60％。根据经验及本矿前三个面情况,立柱初撑力小,支撑系统刚度小,支架达到额定工作阻力的时间增长,板下沉量大造成工作面煤顶壁片帮和端面破碎,冒顶现象时有发生,周期来压时,尤其明显[9]。因此建议更换液压管路系统,保证达到额定初撑力。

4.4沟谷地形矿压

在周期来压期间,40％的支架溢流阀开启,达到最大工作阻力,初步认为支架选型时未充分考虑地形条件对工作面顶板压力的影响,工作面矿压受到沟谷地形影响较大,特别是在经过沟谷上坡段过程中压力显现更大[10]。建议在二盘区开采时,要注意地面的起伏情况,特别是在上坡段期间的周期来压,制定特别作业规程,加强工作面生产管理。

5 结论

1）工作面初次来压步距51.2m,周期来压步距9.6 m～16.8 m；中部偏采空区侧步距较正常值小,两端步距大。

2）工作面支架阻力变化较大,表现为中部偏采空区侧大,两端小,约为1.5倍。

3）建议更换液压管路系统,确实提高初撑力,使支架工作阻力得到快速发挥,利于顶板管理。

4）设备在二盘区开采是可适用的,针对地表沟谷地形的情况,需提前制定相应措施,避免动载矿压危害。

图4 支架压力频率分布直方图

[1]侯忠杰,谢胜华,张杰.地表厚土层浅埋煤层开采模拟实验研究[J].西安科技大学学报,2003,23（4）：357-360.

[2]闫光准.张家茆14202综采工作面矿压规律分析[J].西安科技大学学报,2011,31（5）：515-518.

[3谷拴成,李昂,樊志斌.澄合矿区中厚煤层综采面矿压显现特征研究[J].西安科技大学学报,2012,32（2）：186-192.

[4]崔廷锋,张东升,范钢伟.浅埋煤层大采高工作面矿压显现规律及支架适应性[J].煤矿科学技术,2011,39（1）：25-28. [5]杜福荣,温贺兴,徐晓宏.近浅埋煤层大采高综采面上隅角CO治理[J].采矿技术,2013,13（1）：49-51.

[6]钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社,2003.

[7]李金华,谷拴成,李昂.浅埋煤层大采高工作面矿压显现规律[J].西安科技大学学报,2010,30（4）：407-416.

[8]陈志,朱川曲,谢东海.老鹰山煤矿综采面液压支架支护阻力分析[J].矿业工程研究,2012,27（1）：8-12.

[9]郭朋星,赵辉.大采高支架的适应性与稳定性分析[J].煤炭技术,2010,29（12）：4-6.

[10]许家林,朱卫兵,王晓振.沟谷地形对浅埋煤层矿压显现的影响机理[J].煤炭学报,2012,37（2）：179-185.

〔责任编辑 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

温贺兴（1987－），男，福建龙岩人，在读硕士，研究方向：矿山压力与岩层控制。

1674－0874（2013）05－0078－03