大采高综放开采合理支护强度研究

赵晋亮

(太原理工大学研究生学院矿业工程,山西太原 030000)

大采高综放开采合理支护强度研究

赵晋亮

(太原理工大学研究生学院矿业工程,山西太原 030000)

本文通过整理及分析近几十年来国内外的相关研究,结合同忻煤矿实际生产经验,总结了综采放顶煤工作面矿压显现规律,并对实测的支护阻力进行分析,对支架的适应性进行了评价,为大采高综放开采合理支护阻力研究提供了现实依据。

大采高综放开采 支护强度 矿压显现特征

1 研究背景

近年来随着煤机设备的不断发展，综放开采和大采高一次采全厚开采技术的不断成熟，一种新型的开采方法也应运而生，那就是大采高综放开采。大采高综放开采结合普通综放开采和大采高开采的优点，对特厚及巨厚煤层有着很强的适应性，是实现我国高产高效的有效途径之一。

2 研究的主要内容

根据当前国内外综放技术研究的现状和主要的综放理论，本课题将用理论分析、实验研究和大量的现场观测相结合方法，对同忻煤矿综放面矿压显现规律、支架适应性、合理工作阻力和覆岩移动情况等进行研究总结，研究同忻煤矿8100综放面采场矿压显现特征、支架-煤岩的平衡条件等，为合理支护阻力提供参考依据，为顶板控制提供相关参数。

同忻矿8101工作面概况：8101工作面所采煤层为3-5号煤层，盖山厚度最大492m，最小403m，平均447.5m，走向长度1755～1762m，平均1758.5m，倾斜长度193m，煤层厚度3.77～23.5m平均为15.30m。主采煤层为3-5号煤层，煤层倾角2°～3°，平均为2°30’，煤种为1/3JM QM，硬度系数2～4。直接顶为砂质泥岩及炭质泥岩，厚度0.80～6.50m，断口平坦，层理发育，性脆易碎；基本顶含砾粗砂岩，厚度2.20～8.30m，成分以石英、长石为主，性脆，易碎，断口贝壳状，中夹薄层煤屑。工作面采用单一走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤开采的采煤方法，顶板管理采用自然垮落法。

3 8101综放面矿压观测

3.1 观测方案及实施方法

采用KJ216型综采支架压力在线监测系统对工作面支架的载荷及其工况连续不间断地监测，工作面监测分站压力分机布置：8101工作面长199.5米，支架数量118架，在工作面设10个压力分机，从9#支架开始每间隔9个支架安设一组，分别在9#、19#、29#、39#、49#、59#、69#、79#、89#、109#支架上。以此确定综采工作面顶板的活动规律，预测顶板周期来压的规律和强度，评价工作面支架选型对顶板条件开采的适应性。

表3.1 支架阻力分布情况

3.2 工作面支架的承载特性和适应性分析

通过对工作面采集的支架立柱的所有液压信息进行分析整理后，得出的液压支架支护阻力分布情况如表3.1所示。

由表3.1可见：

(1)实测结果表明，8101工作面支架支护阻力分布频率以区间24～30MPa所占比率最大。

(2)8101工作面支架支护阻力＞36MPa占总体支架支护阻力比例不大，在来压期间，个别支架工作阻力超过额定阻力，安全阀开启，给工作面安全带来了隐患，在来压期间必须加强工作面支护管理。

(3)支架工作阻力分布频率中，区间0～6MPa的分布频率占总体分布比率较大，前柱＞36MPa明显多于后柱，说明前后柱工作阻力大于后柱。

(4)除部分支架阻力开启安全阀，支架发生压裂情况， 总体上，支架运行状态基本上能满足工作面的支护需求，支架性能可以得到了充分发挥。

3.3 支架工作阻力工作特性与适应性分析

由表3.2统计分析可知，工作面全体支架平均支护阻力为18.31MPa，占额定工作阻力的51.60%，支架是在较富裕工作阻力下运行的，工作阻力可以满足工作面实际开采的要求。

3.4 工作面矿压显现规律分析

3.4.1 工作面周期来压分析

依据工作面液压支架的运行状态即工作阻力的监测结果，并对各测线支架的液压信息的均值进行分析、统计和计算，由此来研究分析工作面沿走向矿压分布规律。该工作面顶板来压周期平均为3～5天，来压步距多为19.1～26.6m，平均为22.22m，来压步距相差较大，来压持续时间较短，在来压期间，个别支架工作阻力超过额定阻力；另外，从单个支架的变化曲线可以看出在来压期间很多支架的液柱值都达到38MPa，因此，合理的支护阻力底限值应大于38MPa。

表3.2 支架支护阻力统计分析表

图3.4 工作面来压时与未来压时支架前柱工作阻力对比图

图3.5 工作面来压时与未来压时支架后柱工作阻力对比图

3.4.2 来压时与未来压时整个工作面支架支护阻力对比分析

通过分析采集到的支架液压数据，共观测到10次来压，为分析来压时工作面压力情况，整理典型来压时间段整个工作面立柱液压数据，绘制来压时与未来压时整个工作面液压对比曲线图如图3.4、图3.5，黑色曲线代表来压时整个工作面支架工作阻力变化，立柱液压在工作面中部达到最大，且在中部极值点相对比较集中，分布面也较广，在工作面上部和下部也出现了极大值点，分布面不如中部广，整个工作面立柱液压值普遍较大，前柱液压普遍大于后柱。红色曲线代表基本顶未来压期间整个工作面支架工作阻力变化。由图可以得出：立柱液压集中分区比较明显，液压峰值出现在工作面中部，但极值点分布很离散，而工作面上部和下部也出现离散的极大值点，整个工作面立柱液压分布较来压时普遍偏低，前柱液压值普遍大于后柱。

综上所述，在工作面来压期间整个工作面立柱液压出现持续偏高，未来压时整个工作面立柱液压分布普遍较低，液压峰值均出现在工作面中部，且中部液压分布较上部和下部面广，来压时液压值出现较高的液压值的分布范围较大，而未来压时只出现了相对较为离散的高液压值，前柱压力普遍大于后柱。由图3.4、图3.5可知，来压期间，前柱增载系数为1.14，后柱增载系数为1.22。

4 结论

(1)通过地质调研，对在线监测的支护阻力数据分析可知：总体上，支架运行状态基本上能满足工作面的支护需求，支架工作状态良好，现行支架性能得到了充分发挥； 8101工作面支架前后柱载荷比最小为1.07，最大为1.69，平均载荷比为1.35；高支护阻力值在工作面中部分布区域较广，支柱支护阻力值分布范围较大，来压时支护阻力值较未来压时支护阻力值有一定的波动。

(2)通过相似模拟试验，得出：相似模拟实验工作面共推进了432m，观测到明显破碎区域约90m，有明显裂隙的区域约200m，并有多次来压现象，4次顶板大规模运移现象。由测点观测的数据显示，测点随工作面推进距离的加大，垂直位移和水平位移逐渐增大；随着工作面的推进，顶板垂直位移量随着距离煤层顶板高度的增大而减小；对于同一层位的顶板垂直位移曲线呈现出“碗状”，即中间位移量大，两边位移量小。

(3)通过数值模拟与理论分析，建立了大采高综放工作面的数值模型，得出工作面合理支护强度约为1.18MPa。

(4)通过理论分析的结果得出：合理支架支护强度低限值应为1.468MPa。

[1]闫少宏,富强.综放开采顶煤顶板活动规律的研究与应用[M].北京:煤炭工业出版社,2003.09

[2]范维唐.煤炭在能源中处于什么地位[J].中国煤炭,2001.08.

[3]李明忠,刘珂珉,曾明胜等.大采高放顶煤开采技术及其发展前景[J].煤矿开采,2006,10(5):28-29.

赵晋亮(1985—),男,2006年毕业于武汉理工大学,2012年自学考入太原理工大学研究生学院矿业工程系。现任晋煤集团王台矿监测队主管技术员,从事技术管理工作,工程师职称。