小保当二号煤矿超长综采工作面初次来压规律分析

张罗迅,王鹏飞,张永安

(陕西小保当矿业有限公司,陕西 榆林 719000)

0 引言

中国煤矿由本世纪初的机械化发展到自动化,再到现阶段进入智能化,综采工作面开采能力也得到大幅度提升。在智能化的正向促进下,诸多煤矿开始尝试通过增加工作面开采长度,采用超长综采工作面提高开采效率,但在工作面长度增加后导致工作面的矿压显现规律更为复杂,其中工作面在初采阶段更是事故频发[1]。因此,对工作面初次来压进行深入分析,挖掘初次来压规律,准确判断来压位置和来压强度,将对超长工作面后续开采具有重要的指导意义。长期以来,大量学者对超长工作面开采过程中矿压显现规律进行了深入研究,王庆雄、赵曦等[2-3]通过大量数据分析得出顶板运动以及来压规律。王保强、金宝圣、王兆会等[4-6]通过数值模拟等方法研究确定顶板来压峰值及来压步距。小保当二号煤矿在借鉴国内外超长综采工作面开采经验的基础上,尝试布置450.5 m的超长综采工作面开采,并对工作面上的液压支架进行在线应力监测,通过液压支架工作阻力的变化规律进而分析工作面初次来压规律,分析结果将指导接续工作面液压支架的合理布置以及工作阻力设计,有助于后续超长工作面的安全生产。

1 工程背景

小保当二号煤矿132202智能超长综采工作面为2-2煤13盘区第二个综采工作面。工作面长度450.5 m,推进长度4 002 m,工作面采高平均2.55 m,属于超长工作面。工作面煤层顶底板情况见表1。工作面直接顶为厚度2.09～3.59 m的粉砂岩,老顶为厚度13.63～22.01 m的细粒砂岩,直接底为平均厚度2.15 m的粉砂岩,老底为平均厚度2.94 m的细粒砂岩。煤层倾角平均2°,煤厚1.7～3.6 m,平均煤厚2.55 m。工作面基本液压支架型号为ZY16000/18/32D,支架工作阻力16 000 kN(44.2 MPa),共布置210台,过渡架型号为ZYG16000/22/40D,共布置6台;端头架型号为ZYT16000/22/40D,共布置8台;两巷超前段各布置1套超前支架。为了研究超长工作面初次来压显现规律,每台支架均安装在线应力监测设备[7]。

表1 煤层顶底板情况

2 工作面初次来压分析

2.1 工作面初次来压前矿压显现情况

在工作面推进至70 m时,工作面局部开始出现压力显现,但未出现大范围强烈来压,判断为工作面初次来压之前的一次小规模压力显现[8-10],具体工作面不同位置处的矿压显现情况为:工作面机头侧45#～70#支架开始有局部的压力显现,其中45#支架最大支架压力达到42.7 MPa。工作面中部95#～105#支架开始出现局部小幅度的压力显现,95#支架压力短暂达到42 MPa。工作面机尾侧120#～160#支架开始有局部的压力显现,其中140#支架最大支架压力达到43.35 MPa。图1分别为45#～70#、120#～160#支架压力曲线,工作面初次来压前的支架压力云图如图2所示。

图1 工作面初次来压前各支架工作阻力曲线Fig.1 Working resistance curve of each support before initial weighting of working face

统计工作面在推进至77 m(9月3日)发生初次来压以前各支架平均工作阻力和最大工作阻力见表2和如图3所示。工作面支架平均工作阻力分布在23.8～29.1 MPa,平均为27 MPa;最大工作阻力分布在31.6～44.25 MPa,平均为37.8 MPa。

图3 工作面初次来压前支架工作阻力最大值和平均值分布Fig.3 Maximum working resistance and average value distribution of supports before initial weighting of working face

表2 工作面初次来压前支架工作阻力统计

2.2 工作面初次来压时矿压显现情况

2.2.1 初次来压过程

当工作面机头推进至79.6 m,机尾推进至74 m时,工作面机尾侧155～185#支架以及205#支架开始出现压力升高,表明工作面机尾侧率先出现初次来压。7 h后,机头35#～51#支架和中部65#～115#支架开始来压。5 h后,整个工作面开始全面来压,来压范围为35#～208#支架,其中65#～84#、90#～115#、141#～180#支架区域受来压影响显著,支架压力有明显升高,支架最大压力普遍超过40 MPa,最大达到44 MPa以上。120#～140#支架出现滞后来压现象,支架压力在24 h后达到最高,工作面初次来压期间支架压力云图如图4所示。根据工作面支架工作阻力曲线分析可知,工作面初次来压过程中支架未出现急剧增阻和大范围安全阀开启现象,表明工作面支架对老顶初次断裂形成的动载冲击具有良好的控制能力[11-12]。

图4 工作面初次来压期间支架压力云图Fig.4 Pressure cloud of supports during initial weighting of working face

工作面初次来压期间不同区域支架工作阻力曲线如图5所示。9月3日20∶30左右,机头侧35#～115#支架范围初次来压基本结束;9月4日8点左右,120#～205#支架来压基本结束。工作面机尾侧来压持续时间整体大于机头侧,表明132202工作面机尾侧受临近132201工作面一侧采空影响,顶板活动更加强烈。

图5 工作面初次来压期间各支架工作阻力曲线Fig.5 Working resistance curve of each support during initial weighting of working face

2.2.2 初次来压步距统计

从表3可以看出,结合工作面推进度,对工作面不同区域初次来压情况进行了统计,工作面机头侧初次来压步距约为79.6 m,工作面中部初次来压步距分布在75.6～82.6 m,平均为78 m,机尾侧初次来压步距约为74.7 m,整工作面初次来压步距平均为77.1 m;初次来压总持续时间约为29 h,其中整个工作面强烈来压发生在9月3日15∶00～22∶00,持续时间约为7.0 h;工作面初次来压影响刀数为2～5刀煤,平均为3.2刀煤。

表3 工作面不同区域初次来压情况统计

2.2.3 初次来压强度统计

表4和图6对132202工作面初次来压期间不同区域各支架的来压强度进行了统计。工作面机头侧、中部以及机尾侧在初次来压期间的支架平均压力分别为30.7 MPa、31.8 MPa和31.9 MPa,最大压力分别为38.8 MPa、42.0 MPa和41.5 MPa;初次来压动载系数分别为1.44、1.56和1.59,工作面初次来压平均动载系数为1.54;工作面机尾侧来压强度整体高于机头侧。

工作面初次来压期间65#、70#、80#、90#、110#、175#支架区域发生安全阀开启,工作面支架安全阀开启比例为16.7%,在合理范围内。

3 结论

(1)在超长工作面来压前,132202工作面局部开始出现压力显现,为初次来压之前的一次小规模压力显现。工作面初次来压前,支架平均工作阻力分布在23.8～29.1 MPa,平均为27 MPa;最大工作阻力分布在31.6～44.25 MPa,平均为37.8 MPa。

(2)超长工作面开始初次来压期间,超长工作面来压具有分区来压的特点,机尾侧率先来压,之后工作面机头侧和中部陆续来压,120#～140#支架出现滞后来压。初次来压总持续时间约为29 h,其中整个工作面强烈来压持续时间约为7.0 h。

(3)工作面机头侧初次来压步距约为79.6 m,工作面中部初次来压步距分布在75.6～82.6 m,平均为78 m,机尾侧初次来压步距约为74.7 m,整个工作面初次来压步距平均为77.1 m;工作面机头侧、中部以及机尾侧在初次来压期间的来压强度平均分别为38.8 MPa、42.0 MPa和41.5 MPa;初次来压动载系数分别为1.44、1.56和1.59,平均为1.54;工作面支架安全阀开启比例为16.7%;工作面机尾侧来压强度整体高于机头侧。