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综放末采期间的矿压特征 第六图书馆 在现场实测的基础上,分析了综放末肛期期间的矿压特征及顶板稳定性,提出了提高综放末采期顶煤采出率的顶板控制原则,为进一步 减少综放末采损失提供了依据。在现场实测的基础上,分析了综放末肛期期间的矿压特征及顶板稳定性,提出了提高综放末采期顶煤采 出率的顶板控制原则,为进一步减少综放末采损失提供了依据。综放 矿压 末采期 综合机械化采煤煤炭科学技术刘长友 卫建清 [1]中国矿业大学 [2]兖州矿业集团有限责任公司南屯矿1998第六图书馆 第六图书馆 第2 6 卷第5 期 煤炭科学技术 1 9 9 8 年5 月 一 综放末采期间的矿压特 中 国 矿 业 大 学 兰蜜 曹 胜 根 钱鸣高 充州矿业 集团 有限责任公司南屯矿 梁广锋 摘要在现场实测的基础上，分析 了综放末采期间的矿压特征及顶板稳定 性，提 出了提高综放末呆期顶煤采出率的顶板控制原则，为进一步减少综放末采损 失提供 了依据。 关键词综放末采矿压 综放开采中的末采损失是放顶煤开采煤 炭损失构成 中的主要组成之一 ，目前，减少 综放开采中的末采损失 已受到普遍重视 ，收 尾方法 已从初期的 “ 爬顶板 收尾法逐渐变 成 “ 留顶煤 ”收尾 法．不放 煤的 距离 也从 4 0 ～5 0m减小到 l 5 ～2 0 n l。 “ 留顶煤 ”收 尾法比 “ 爬顶板”收尾法提高了末采期间的 顶煤采出率 ，但对于综放开采煤炭采出率的 要求而言， 仍然是不完善的。由于综放开采 中顶煤的存在以及老顶的活动规律影响采场 空间的稳定性 ，因而末采期间撤架空间顶板 煤的稳定性成 为综放 面收尾撤架 的关键 问题，也是提高末采顶煤采出率的关键。因 此，掌握末采期间工作面的矿压特征，是合 理选择终采位置，提出合理收尾工艺。对于 提高末采期间的顶煤采 出率具 有重要意 义。 为此 ，在南屯煤 矿 1 3 0 4综放 面通 过矿压 观测分析 了末采期 间的矿压特征。 1 1 3 0 4综放面的地质及生产条件 1 3 0 4工作 面位于一采 区南部 ，北 为 尚未开采的 l 3 o 3工作面，南为 l 3 0 5工 作面，西 为一采 区西部 断层 ，东 为煤 层露 头。该面范围内煤层赋存基本稳定 ，地质构 造简单 ，煤层松软 。煤层倾 角 2 ～6 。 ，局部 ／ 仁 群 缸 最大可过 1 4 。 。平均煤厚 5 ． 2 3 ～6 ． 0 m。 该面老顶为细砂 岩，厚度 6 ～8 m．直 接顶为粉砂岩，厚度 3～5 m。伪顶为砂质 泥岩 ，厚度 0 ． 2～0 ． 6 m，底 板 为 细砂 岩 ， 厚度为 3 ～5 m。1 3 0 4工作面长度 1 5 4 m， 推进长度 l 0 3 2． 5 m，割煤高度 2 ． 8 n l ，采 放 比 1 0． 9 5 。采 用走 向长壁多 轮顺 序放顶 煤采煤法，一刀一 放，放煤步距 0 ． 6 n l 。实 行采放平行作业 ，其工序为 采煤机割煤一 移架一推前刮板输送机一放煤一拉后刮板输 送机。工作面支护采用 Z F S 5 1 0 01 7 ／ 3 5型 液压支架 。其主要技术参数如下 高度 ／ r r m a 1 7 0 0 ～3 5 0 0 工作 盟力 ／ k N 51 0 0 宽度／ r r m a 1 4 2 0 ～1 5 9 0 韧撵力 t k N 3 9 4 ． 1 支护强度 ／ MP a 0 ． 8 7 对雇板平均 比压佃a 3 2 2 工作面末采期间的矿压特征 2 ． 1 工作面正常推进期间的矿压特征 实测得 到，直接 顶初次垮 落步距 l 7 ． 2 m，老顶初 次来 压步距 3 0 n l ，周期来 压步 距平均 l O ． 5 m，来压时动载系数平均 1 ． 2 2 。 支架在来压与非来压期间的支护阻力及 阻力增量如表 1所示 。 4 5 征 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 第2 6 卷第5 期 煤 炭科学技术 1 9 9 8 年5 月 裹 1 来压与 非来压期间支架阻力豆 其增 量 项目 圭 竺 圭 芝 里 塑 苎 苎 竺 P P 一尸 D P P 一P0 注 一支撵力； 一时间加权工作阻力；只 ‘ 循环束阻力 统计分析得到支架前柱阻力与后柱阻力 图 1 支架前后柱 阻力变化对 比 由表 l 及 图 1可见，工作面正常推进期 间，来压 时支 架 阻力 的增 量是非 来压 时的 1 ． 1 7倍 ，增长幅度较小。顶板初次垮落 后， 由于支架上方顶煤 力学状态 的变化 及影 响， 支架后柱阻力小于前柱阻力 ，因而与顶板初 次垮落前支架前后柱阻力的变化相对 比，体 现 了放顶煤开采正常推进期间的矿压特点。 2 ． 2 工作面末采期间的矿压特征 工作面末采期 间，随着放煤停止、铺网 工序的开始，工作面推进速度减慢。当工作 面推进到终采线位置时，支架不再移设 ，处 于静止状态。此间采空区冒落体包括直接顶 岩石和顶煤 ，其充填空间较大 ，老顶的活动 范围受到限制 ，活动程度相对减小。但 由于 老顶仍呈现周期性的破断，且老顶的变形为 给定变形 ，因此直接顶的稳定性及支架的承 载仍受到老顶运动的影响。视终采线位置与 老顶断裂线位置关系的不同，支架的承载分 4 6 为 2种情况 ，① 当工作面终采线位于老顶断 裂线以内时 ，老顶的回转变形将对直接顶及 支架产生直接影响 ，随着时间的延长，支架 的承载由动载 逐渐变为静载 ；② 当工作面 终采线位置 包括支架支护空间处于老顶 断裂线 以外 时 ，由于老顶处 于相 对稳定 状 态，此时支架 承受 的载荷 为直 接顶 含 顶 煤的重量 ，为静载荷。因此 ，在工作面末 采期间 ，支架承载 的大小仍然取决于老顶的 活 动 程 度 和稳 定 性 以及 直 接 顶 的 刚 度 。 1 3 0 4综 放 面从 停 采 到 撤 架期 间， 中部 7 0 架测线测得的支架阻力随时间的变化如 图 2所示 图2 工作面中部支架阻力与时间的关系 由图 2中可见 ，工作面中部从停采到撤 架期间，支架前立柱安全阀一直处于开启状 态，支架工作阻力达到 3 3 MV a 安全 阀调 定值 。支架前柱阻力大于后柱阻力 ，支架 活柱缩量比较大。从停采到撤架期间的活柱 缩量与时间的关系如 图 3所示。 、垦 嚣 时同／ h 图 3 工作面中部支架活柱缩量与时间的关系 由图 3可知，工作面中部从停采到撤架 期间，支架前立柱的活柱缩 量大于后立 柱， 两者相差 2 ～3 r f ff f l ，随着撤架 的开始 ，支 架前后立柱的缩量趋于一致。 ㈣ 布 ＆ 髓 推 j昌 一 循 醐 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 第2 6 卷第5 期 煤炭科学技术 1 9 9 8 年5 月 由此可见 ，尽管撤架前支架处于静止状 态，但受老顶回转变形的影响 ，活柱缩量累 计平均达 7 0 1 T I I T t ，撤 架期 间活柱缩 量累 计 平均达 9 1 ． 51 T I I T t ，比撤架前增加了 3 0 ． 7 ％。 从停采 到撤 架期 间活柱 缩 量共计 达 1 6 1 ． 5 mm。据采空区煤岩 冒落 后的充 填情况估算 老顶 的最大给定回转变形量 ，可得老顶作用 到控顶距范围的最大给定 回转变形量为 M 3 - 劭 一K Lk 。 一 _L I】 一 式中M--采高．2 ． 8 m； ∑ 直 接顶 包 括顶煤 的厚度 ， 6． 6 6m K煤岩碎胀系数，1 ． 2 5 ； Lk 控顶距 ，4 ． 0 m； L 老顶断块长度，1 0 ． 5 m。 则S T 4 3 0Ⅱ m1 。 可见 ，由于直接顶 包括顶煤剐度的 变化 ，老顶最大 回转变形量并没有全部传到 支架上，而是被直接顶 的变形 吸收一部分 。 因此 ，支架 的实际变形量仅 占老顶最大回转 变形量的 3 7 ． 4 ％。 如果考虑支架后 方顶煤 的放出回收。则 上式中的 ∑ 4 m，此时 S T 1 4 2 0 r l l l r l 。 在这种情况下，支架 的活柱缩量将 达到 5 2 9 mm。因此 ，在综放面收尾期 问 ，如果考虑 回收架后顶煤而忽视老顶来压的影响 ，对工 作面支架的安全 回撤是不利的。 工作面上部测线 9 0 架从停采到撤架期 间支架阻力时间的变化如图4 所示。支架阻 时间／ h 圈 4 工作面上都支 架 阻力与 时间的关系 力后柱大 于前柱。随着时间的延长 ，撤架的 开始，支架后柱阻力逐渐增大 ，并达到安全 阀调定值。受边界支撑条件的影响，活柱下 缩较 小。在撤 架 前，支架立 柱 缩量 小于 2 mm，而在撤 架 后．随着垮 落空 问的 增大 ， 活柱缩量逐渐增大 ，但和工作面中部相 比要 小得多 ，累计 总 量平 均 4 3 ． 5 r ll l r l 。支 架 活 柱下缩量与时间的关系如图 5所示。 { 蓦 墓 封 阿／ h 图5 工作面上部支架活柱缩量与时间的关系 根据上述分析，可以得出综放面末采期 间具有 以下矿压特征。 1 工作面终采线位于老顶 断裂线 以内 时，采场支架及直接顶的稳定性受老顶回转 变形的直接影 响，随着 老顶 由回转 开 始到 触矸渐趋稳定 ，支架由动载变为静载。但由 于支架处于静止状态 ，因而不象正常 回采期 问那样随支架的推移 ，使支架总能处于老顶 影响最危险的状态。 2 支架 工作 阻力达 到 了安全 阗调 定 值 ，安全阀处于开启状态。工作 面中部支架 前柱受载大于后柱 ，而两端则相反。 3 支架的活柱下缩 量比较大 ，并随着 撤架开始及顶板垮落范围的增大而增大。支 架前 后柱缩 量基 本一 致，累计 平 均 1 6 1 ． 5 Ⅱ 1 r I 1 ，是老顶给定回转变形量 的 3 0 ． 7 ％．支 架的变形体现为支架活柱的下缩 。 4 位于工作面两端 的支架 ，受边界支 撑条件 的影响，撤架前 后柱下缩量很小。支 架阻力较小 ，但随着撤架开始及顶板垮落距 离的接 近，活 柱 下缩 量增大 ，支架 阻 力增 高，并达到安全阗开启状态。 4 7 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 第2 6 卷第5 期 煤 炭科学技术 1 9 9 8 年5 月 5 采空 区的充填程度影响老顶的回转 变形程度 ，进 而影 响直 接顶及 支架 的稳定 性。因此 ，放顶煤工作面有末采期间如果 回 收架后顶煤 ，必须 使老 顶处于相 对稳 定状 态，否则 ，因老顶与 冒矸 间空隙的增大 ，老 顶给定变形量的增大而造成支架缩量增大甚 至压死支架的情况 。 6 当终采线 包括撤架空间位于老 顶断裂线 以外时，因老顶处于稳定状态 ，因 而支架仅承 受直接 顶的 重量 ，支架 阻力 较 小 ，活柱下缩量较小。 3 末采期间顶板稳定性分析 由上述分析可知，直接顶的稳定性取决 于老顶的稳定性 ，最终可表现在支架的变形 程度上。从便 于量 测又 能反映问题 的实质 ， 可依据支架活柱的下缩速率 ，即单位时间内 支架立柱的下缩量来反映顶板的稳定性。 南屯矿 l 3 o 4工 作面停采期 间，工作 面 中部及上部支架活柱的下缩速率随时间的 关系分别如图 6及图 7 所示 。 时间／ h 囤 7 工作面上 部活桂 下缩率与 时间的关系 由图 6及图 7可见 ，工作 面中部支架在 停采后 的初期 2 4 h ，支架活柱下缩率达 4 8 ； 到最大值 0 ． 3 3 mm／ h ，说 明此 时是 老顶活 动最剧烈的时刻。此后 ，支架的下缩率逐渐 减小并趋于稳定状态 ，与老顶的活动规律是 一 致的 。工作面端部 上部 支架活柱下缩 率受撤架及顶板垮落的影响局部 出现增大现 象 ，并随撤架的临近及顶板垮落范围的增大 而增 大，但 和工作 面 中部 相 比却 较小 。因 此，末采期间顶板的稳定性应主要根据工作 面中部活柱下缩率的变化来判定。 根据上 述实测 结果 及文献l 1 中的实验 结果 ，在 l 3 o 4综放面地质条件下若 进一 步提高末采顶煤 的采出率则应有 1 当活 柱下 缩速 率 u0 ． 0 5 m ／ h 时，顶板 煤是稳定的 ，在这种状态下回 撤支架是安全的。 2 当 活 柱下 缩速 率 0 ． 0 5u 0 ． 2 5 n Ⅱ n ／ h时 ，顶板 煤 是 中等稳定的 ，这状态 下 回撤支架应 采取必要的安全及辅助措施。 3 当活 柱 下缩 速率 u ≥ 0 ． 2 5 1 “f l i rt ／ h 时 ，可认为顶板 煤是不稳定的，在这种 状态下不宜 回撤支架。 以上系统分析综放 末采期间矿压特征 ， 由于其特殊 的开采环境 ，因而与正常推进期 间具有不同的矿压特征。老顶的稳定性是决 定采场空间稳定性的主导因素。从提高末采 顶煤采出率考虑 ，应使 采场空 间位于老顶相 对稳定 的时期 内。以支架活柱下缩速率为指 标可较好地反映末采期 间顶板 煤 的稳定 性 ．从而 可确定收尾及支架回撤的时机。 参考文献 1 剂长友。李树刚减少综放果煤损失的研究．矿山压 力与顶板管理 ．1 9 9 5 3 -4 作者简介刘长友 9 6 5 年生，1 9 9 7 年毕业于中国 矿业大学采矿工程磊，获博士学位。主要M事采场矿压及 控制方面的科研工作，已在国内外发表学术论文 2 O 余篇a 地址江苏徐州市，邮码2 2 1 0 0 8 。 收稿日期1 9 9 71 22 8 ；责任编辑 曾康生 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆