夹矸厚煤层综放矿压规律研究.pdf

收稿日期 2005- 05- 12 作者简介 陈海波 1972- , 硕士, 讲师, 主要从事采矿工程方面的教学与科研工作, 发表论文多篇。 文章编号 1003- 5923 2005 03- 0113- 02 夹矸厚煤层综放矿压规律研究 陈海波1, 孙广义1, 张庆宝2 1. 黑龙江科技学院 资源与环境工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150027; 2. 黑龙江省鸡东县煤炭局, 黑龙江 鸡东 158110 摘 要 本文根据范各庄矿业分公司现场实际观测数据, 研究总结了含夹矸结构复杂厚煤层综采放顶煤 工作面的矿压显现活动规律, 确定了支架的合理工作阻力, 为结构复杂厚煤层放顶煤开采提供了科学依据。 关键词 矿压显现; 放顶煤; 夹矸; 结构复杂 中图分类号 T D823. 4 文献标识码 A 1 工作面地质条件 2429S 综放面上下方均为实体煤, 地质条件复 杂, 为 12 煤与 12半煤会合区, 12 煤为复杂结构煤 层, 煤厚 3. 5 5. 5 m, 12半为简单结构煤层, 煤厚 1. 3 2. 3 m, 煤层总厚 4. 8 7. 8 m, 倾角平均 10, 工作面倾斜长 190 m, 走向长 1860 m, 靠近南四石 门一侧较薄, 两煤层间有一层夹矸, 其厚度变化较 大, 分析是受断层影响导致局部变厚, 厚 1. 3 5 . 0m, 平均厚 1. 71 m, 岩性为黑灰色粉砂岩。走 向长约 600 m。综合柱状图如图 1 所示, 开采示意 图如图 2 所示。 图 1 2429S 综放面综合柱状图 2 工作面矿压显现规律 2. 1 测站布置 为了解该放顶煤采面的矿压和顶煤运动规律, 在回采期间进行了支架工作阻力、 周期来压步距、 顶煤位移观测。在工作面布置 3 个测站 分别设在 工作面的上部 115 组支架、 中部 63 组支架、 下部 图 2 含夹矸厚煤层综放开采示意图 13 组支架 , 每个测站对角布置 2 条测线, 安装圆 图自记仪进行支架工作阻力观测, 确定顶板来压步 距; 在尾巷内沿走向距切眼 560 m 处开始设置相 距 40m 的两个测站, 各布置 3 组测点, 测点分别位 于顶煤、 直接顶和老顶中, 随工作面推进, 及时测得 各测点的顶煤位移值 S mm 和测点到工作面煤壁 的水平距离 L m 。 2. 2 工作面周期来压 工作面周期来压步距平均为 16. 6 m , 在对不 含夹矸段进行综放开采时的周期来压步距平均为 13. 8, 可见由于受到夹矸层的影响, 工作面的平均 周期来压步距增大。有关来压步距及参数见表 1。 表 1 2429S 综放面老顶来压步距及强度 来压 性质 来压 次数 测区 平均来压步距 / m 动压系数 按 pm计算 老顶 周期 来压 7上17. 81. 61 10中12. 31. 66 7下19. 61. 75 平均16. 61. 67 图 3、 4 为 3 个测站支架工作阻力随工作面推 进而变化及其频率曲线。 113 矿山压力与顶板管理 2005. 3 图 3 支架平均工作阻力变化图 来压时支架平均载荷 3063. 2kN/ 架, 是平时 支架载荷 1834. 3kN/ 架的 1. 67 倍。数值表明 2429S 综放面动压系数高于全国放顶煤工作面的 平均动压系数 1. 37, 属于来压明显的综放面。从 总体上来看, 和不含夹矸段开采相比, 支架的工作 阻力是不含夹矸段的工作阻力的 1. 2 倍以上。 未来压时工作面围岩 煤体 稳定, 煤壁平整, 很少发生片帮、 端面冒落现象, 工作面支架平均工 作阻力为 2193. 0 kN/ 架; 周期来压时采面矿压显 现较明显, 在采面中出现数段不连续的片帮, 片帮 深度大多在 300 500 mm。由于在网下开采, 很 图 4 2429S 综采放顶煤工作面工作阻力分布 a P0; b Pm; c Pt 少发生端面冒落现象, 在工作面中部, 煤壁发生多 次片帮和端面冒落。从总体上看, 该面煤体稳定, 支架工作性能良好。 3 工作面支架工作阻力测定 实测工作面支架初撑力平均 1602. 6 kN/ 架, 相当于额定初撑力的 31. 1, 加权平均工作阻力 2193. 0 kN/ 架, 相当于额定工作阻力的 37. 8 。 最大初撑力 4152. 3 kN/ 架。实测最大工作阻力平 均5564. 0 kN/ 架, 相当于额定工作阻力的95. 9 , 其中中部测区有 8 个循环最大工作阻力超过额定 工作阻力 5800 kN/ 架 , 仅占所测循环的 4. 02 , 最大为 5979. 3 kN/ 架, 这说明该支架在此面应用 是完全合适的。如表 2- 4。 表 2 支架初撑力实测统计 单位 kN/ 架 测区平均值均方差最大值 平均值与 额定值之比 上1283. 5755. 25647. 00. 249 中1968. 3769. 55979. 30. 382 下1556. 0666. 95065. 80. 302 平均1602. 6730. 55564. 00. 311 表 3 支架末阻力实测统计 单位 kN/ 架 测区平均值均方差最大值 平均值与 额定值之比 上2224. 91017. 55065. 80. 384 中3094. 81318. 65979. 30. 534 下2473. 51213. 25647. 00. 426 平均2597. 71183. 15564. 00. 448 表 4 支架加权工作阻力实测统计 单位 kN/ 架 测区平均值均方差最大值 平均值与 额定值之比 上1820. 6854. 94709. 40. 314 中2611. 31078. 95628. 60. 450 下2147. 01007. 05351. 70. 370 平均2193. 01006. 05229. 90. 378 从这三个表中的观测数据分析, 该面沿倾斜方 向上压力显现为∀ 山字型, 即工作面中部压力超前 于上风巷、 下运巷 10 m 左右, 并结合表1 知其周期 来压小于两侧。符合∀ X形老顶破断理论。 据实测统计 在一个采煤循环内, 支架 P- t 曲 线有初撑、 一次增阻、 二次增阻和多次增阻几种类 型。其中, 一次增阻型占 70. 7 , 在各类型中比率 最高, 该面支架前后柱主要以微增阻为主, 说明该 面的顶板活动不强烈, 对支架的作用力不大; 该面 支架设计的额定初撑力较高, 支护质量保持了较高 的水平。这表明此类支架在该面应用的运转特性 是良好的。 4 结论 1 含夹矸结构复杂厚煤层综放面平均周期来 压步距为 16. 9 m, 比不含夹矸段简单结构厚煤层 综放开采的平均周期来压步距增大, 支架的工作阻 力也相应增大。 下转第 117页 114 2005. 3 矿山压力与顶板管理 图 4 巷道支护结构图 图 5 反底拱配筋图 体的封闭式结构, 有利于提高支护效果。 反底拱形状设计为圆弧形, 横断面如图 5 所 示, 反底拱设计厚为 400 mm, 拱高 500 mm, 曲率 半径为 5223 mm。使用 425 水泥, 混凝土标号设 计为 C25, 反底拱除支撑于巷道两邦底部外, 再用 下斜的底锚杆固定在底板上。沿巷道的纵向, 反底 拱混凝土板的收缩缝间距为 5m, 收缩缝使用木条 宽为 1 cm。 混凝土的纵筋设计采用废旧的 18 矿用钢轨, 两端各焊一块钢板, 用于连接下斜底锚杆, 钢轨每 端连接两根锚杆, 锚杆起到固定反底拱的作用。钢 板焊接的位置距钢轨端部 500 mm, 钢板设计厚为 10 mm, 长 220 mm, 宽 110 mm, 钢板上留有两个锚 杆孔, 锚杆孔的直径设计为 30 mm, 两孔中心距为 110 mm。 下斜底锚杆, 使用普通的 20 螺纹钢锚杆, 长 1800 mm, 俯斜角 90- 19. 8 70. 2, 每对锚杆的 中心距为 110 mm。 钢轨反向布置, 钢轨位于混凝土的偏上部, 钢 轨上方的混凝土保护层厚 50 mm。箍筋采用 6 的普通钢筋, 箍筋间距设计为 300 mm, 共 16 道; 箍筋的配筋方式如图 5。沿巷道纵向, 钢轨的中心 间距设计为 750 mm。 6 结论 1 围岩破碎又要经采动影响的 ∃类不稳定 围岩巷道, 单纯使用一般的锚喷支护是不够的, 可 采用锚喷 锚注 U 型钢与反底拱碹支护的复合 支护方案。 2 不论采用水泥浆液还是化学浆液加固岩 石, 试件的强度都有不同程度的提高, 水泥浆液注 浆加固后试件强度提高 1. 12 倍, 采用化学浆液加 固后提高 0. 97 1. 05倍。 3 对于处于高围压状态下的 ∃类不稳定围 岩巷道, 可采用巷道反底拱支护, 来抑制巷道底臌, 并形成围岩支护体的封闭式结构, 有利于提高支护 效果。 参考文献 [ 1] 何满潮, 景海河, 孙晓明. 软岩工程力学[ M ] . 北京 科学出 版社, 2002. [ 2] 何满潮. 煤矿软岩工程技术现状及展望[ J] . 中国煤炭, 1999, 258 12- 16. [ 3] 刘夕才, 林韵梅. 软岩巷道弹塑性变形的理论分析[ J] . 岩土 力学, 1994, 15 2 27- 35. [ 4] 胡玉银. 大埋深软岩巷道围岩变形破坏力学机制分析[ J] . 水文地质与工程地质, 1994, 6 4- 6. 上接第 114 页 2 支架初撑力平均值为 1602. 6 kN/ 架, 为支 架设计初撑力的 31. 1, 支架时间加权平均工作 阻力 2193. 0 kN/ 架, 为额定工作阻力的 37. 8 。 最大初撑力 4152. 3 kN/ 架。实测最大工作阻力平 均5564. 0 kN/ 架, 为额定工作阻力的95. 9 , 支架 的工作阻力频率分布合理, 运转特性良好, 适应结 构复杂综放面的地质与开采技术条件。 3 该含夹矸结构复杂厚煤层综放面沿倾斜方 向上压力显现为工作面中部压力超前于上风巷、 下 运巷的∀ 山字型分布。 4 含夹矸结构复杂厚煤层综放面平均动压系 数为 1. 67, 高于全国放顶煤工作面的平均动压系 数 1. 37 , 属于来压明显的综放面。 参考文献 [ 1] 钱鸣高, 刘听成. 矿山压力及其控制[ M] . 北京 煤炭工业出 版社, 1991. 301- 307. [ 2] 王家臣, 闫宝金. 难采煤层的综放技术研究[ C] . 99 厚煤层 现代开采技术研讨会论文集[ A ]. 北京 煤炭工业出版社, 1999. 47- 50. 117 矿山压力与顶板管理 2005. 3