8.8 m超大采高综采工作面支架选型应用及顶板管理研究.pdf
★科技与工程★ 移动扫码阅读 引用格式冀宏波,李玉福8 8m超大采高综采工作面支架选型应用及顶板管理研究 [J]中国煤炭,2 0 2 0,4 6 7 9 2-9 6 J iH o n g b o,L iY u f u R e s e a r c ho ns u p p o r t s e l e c t i o na n d r o o fm a n a g e m e n t t e c h n o l o g y i n8 8mu l t r a G h i g h f u l l y m e c h a n i z e dm i n i n gf a c e[J]C h i n aC o a l,2 0 2 0,4 67 9 2-9 6 8 8m超大采高综采工作面支架选型应用 及顶板管理研究 冀宏波 李玉福 国家能源集团神东煤炭集团上湾煤矿,内蒙古自治区鄂尔多斯市,0 1 7 2 0 9 摘 要 针对8 8m超大采高综采工作面开采强度高、顶板活动剧烈、管理难度大的 问题,基于上湾煤矿1 2 4 0 2综采工作面的顶板管理技术,对工作面矿压规律进行预测、对工 作面支架的选型以及现场顶板安全管理体系进行了阐述分析.结果表明,采用类比法预测工 作面回采矿压参数和规律能够满足超大采高工作面应用所需;强制放顶、擦顶移架法、超前 拉架法等常规工艺在8 8m超大采高情况下仍然有效,施工中形成的顶板安全管理体系保 障了超大采高工作面的安全高效生产. 关键词 8 8m超大采高工作面 综采工作面 顶板管理 顶板安全 矿压规律预测 中图分类号 T D 3 2 3 T D 3 5 5 文献标识码 A R e s e a r c ho ns u p p o r t s e l e c t i o na n dr o o fm a n a g e m e n t t e c h n o l o g y i n8 8mu l t r a G h i g hf u l l ym e c h a n i z e dm i n i n gf a c e J iH o n g b o,L iY u f u S h a n g w a nC o a lM i n e,C h i n aE n e r g yS h e n d o n gC o a lG r o u p,O r d o s,I n n e rM o n g o l i a0 1 7 2 0 9,C h i n a A b s t r a c t A i m i n ga t t h eh i g hm i n i n g i n t e n s i t ya n dd i f f i c u l t r o o fm a n a g e m e n tb e c a u s eo f f i e r c e r o o fb e h a v i o r s i n8 8mu l t r a G h i g hf u l l ym e c h a n i z e dm i n i n gf a c e,t h ep r e d i c t i o no fm i n ep r e s s u r er u l e s i nw o r k i n gf a c e,t h es u p p o r ts e l e c t i o nf o rw o r k i n gf a c e a n df i e l dr o o f s a f e t ym a n a g e m e n tw e r ee l a b o r a t e da n da n a l y z e db a s e do nr o o fm a n a g e m e n t t e c h n o l o g yi n1 2 4 0 2f u l l ym e c h a n i z e d m i n i n gf a c e T h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h ep r e d i c t i o no fm i n ep r e s s u r ep a r a m e t e r a n dr u l e s i nm i n i n g f a c eb ya n a l o g ym e t h o dc o u l d m e e t t h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t so f u l t r a G h i g hw o r k i n g f a c e;f o r c e dr o o f c a v i n g,r o o f G s c r a p i n gs u p p o r tm o v i n gm e t h o d,a d v a n c e d s u p p o r t p u l l i n gm e t h o da n do t h e r c o n v e n t i o n a l p r o c e s s e sw e r e s t i l l e f f e c t i v eu n d e r t h e c o n d i t i o no f 8 8mu l t r a G h i g hm i n i n gh e i g h t, t h er o o f s a f e t ym a n a g e m e n t s y s t e mf o r m e dd u r i n gc o n s t r u c t i o ng u a r a n t e e dt h e s a f ea n de f f e c t i v ep r o d u c t i o no fu l t r a G h i g hw o r k i n g f a c ea n dp r o v i d e dr e f e r e n c e f o rp o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no fu l t r a G h i g hf u l l ym e c h a n i z e dm i n i n gt e c h n o l o g y K e yw o r d s 8 8mu l t r a G h i g hm i n i n gf a c e,f u l l ym e c h a n i z e dm i n i n gf a c e,r o o fm a n a g e m e n t,r o o fs a f e t y,p r e d i c t i o no fm i n e p r e s s u r e l a w 8 8m超大采高综采技术在我国乃至全球都是 首创,作为安全高效开采的前提,顶板管理技术的 安全性、合理性、有效性是关键.为保障该技术的 应用,国内很多科研人员、学者开展了相关研究. 杨俊哲、刘前进[ 1]针对工作面矿压显现强烈的问 题,基于支架压力预测监测,对上湾煤矿8 8 m 超大采高工作面矿压显现规律进行了研究;刘国 柱[ 2]对大采高液压支架的承载能力进行了研究;王 29 中国煤炭第4 6卷第7期2 0 2 0年7月 海军、孙红发[ 3]对超大采高工作面液压支架的支护 强度进行了研究;李飞、刘混举[ 4]对超大采高工作 面液压支架的稳定性进行了分析,并提出了相关控 制方案;郭文孝[ 5]对超大采高工作面运输巷超前支 架组的应用进行了分析;翟春宝、吕英华[ 6]对超大 采高工作面初次强制放顶技术进行了研究.但是, 上述研究多为针对工作面顶板管理的单一要素进行 研究分析,笔者通过对8 8m超大采高工作面顶 板管理技术的系统阐述分析,以期为后续超大采高 综采技术推广应用及经验总结提供借鉴. 1 工程概况 1 2 4 0 2综采工作面是上湾煤矿1 2号煤层四盘 区第2个综采工作面,工作面沿倾向布置,走向长 度3 0 0m,推进长度5 2 7 1 8m,采高8 8m,该综 采面地面标高为1 1 7 81 3 1 4m,煤层底板标高为 1 0 4 4 3 4 1 0 6 7 4 0m.工作面上覆盖层厚度为1 1 5 2 7 0m;上覆松散层厚度为22 3m,主要是土 黄色中、细粒风积砂,松散未固结;上覆基岩厚度 为1 0 42 4 0 m.工作面基本顶为灰白色粉砂岩, 厚度 为5 6 82 0 3 4 m, 抗 压 强 度 约1 4 5 3 6 6MP a,普氏系数约2 3 2;直接顶为细粒砂岩, 厚度 为2 18 0 7 m, 抗 压 强 度 约1 3 3 1 5 2MP a,普氏系数约1 3 5,坚固性较低.工作 面沿煤层走向布置,由切眼、主运巷、回风巷、辅 运巷、主撤通道、辅撤通道、主辅运巷间联巷等巷 道组成.工作面采用倾斜长壁后退式一次采全高综 合机械化采煤法开采,采用全部垮落法管理顶板. 2 工作面支护选型 2 1 支护高度与支架强度的分析 2 1 1 支架高度的核算 1支架最大高度 Hm a x=Mm a x+S1 1 式中Hm a x 煤层最大支护高度,mm; Mm a x 综 采 工 作 面 最 大 采 高, 取 8 6 0 0mm; S1 伪 顶 初 次 垮 落 的 最 大 厚 度, 取 2 0 0mm. 将各取值代入式 1得出,Hm a x= 8 8 0 0mm. 2支架最小高度 Hm i n=Mm i n-S2-g-e 2 式中Hm i n 煤层最小支护高度,mm; Mm i n 工作面最小采高,取6 5 0 0mm; S2 顶板下沉量,取2 0 0mm; g 顶梁 上、 底 座 下 的 浮 矸 厚 度, 取 5 0mm; e 移架时支架回缩量,取1 0 0mm. 将各取值代入式 2得出Hm i n=6 1 5 0mm. 综 上 所 述,所 选 的 支 架 支 护 高 度 为4 0 8 8m,满足最大、最小支护要求. 2 1 2 支架强度的核算 采用2个经验公式计算,取其计算值的最大 值. 经验公式一 P=9 8 1h r k 3 式中P 工作面合理支护强度,k N/m2; h 采高,取8 6m; r 顶板岩石密度,取2 5t/m 3; k 工作面支架应该支护的上覆岩层厚度 与采高之比,一般为48;开采煤层较厚、顶板 条件不好、周期来压明显时,应选用高倍数,根据 相邻综采面回采情况,此处选取7. 将 各 取 值 代 入 式3 得 出P = 1 4 7 6 4 0k N/m 2=1 4 7MP a. 经验公式二 P≥ 9 8M r d B 1 0 0 0K-1c o sa 4 式中P 支护强度,MP a; M 开采厚度,取8 6m; d 顶板动载系数,取1 3; a 煤层倾角,取3 ; B 附加阻力系数,取1 2; K 板岩石碎胀系数,取1 2 5. 将各取值代入式 3和式 4分别得出P 值为1 3 1MP a和1 4 7MP a. 根据经验公式计算,支护强度取2种计算方式 的最大值为1 4 7MP a,所以工作面液压支架的支 护强度应不小于1 4 7MP a. 2 2 支架的选型 2 2 1 工作面支架选型测算 根据以上计算分析,对工作面支架进行选型, 综采面共布置1 2 8台支架,其中有5台端头支架 机头3台、机尾2台 ;6台过渡架 机头3台、 机尾3台 .具体见表1. 39 8 8m超大采高综采工作面支架选型应用及顶板管理研究 表1 综采工作面液压支架型号及其技术参数 类型型号 技术参数 最小支撑 高度/mm 最大支撑 高度/mm 液压调整 高度/mm 工作阻力 /k N 支护强度 /MP a 初撑力 /k N 综采工作面支架 Z Y 2 6 0 0 0/4 0/8 8 D4 0 0 08 8 0 04 8 0 02 6 0 0 01 7 11 8 31 9 7 8 2 端头支架 Z Y T 2 6 0 0 0/3 0/5 5 D3 0 0 05 5 0 02 5 0 02 6 0 0 01 5 11 6 01 9 7 8 2 大侧护过渡 Z Y G 2 6 0 0 0/4 0/8 8 D A Z Y G 2 6 0 0 0/4 0/8 8 D B 4 0 0 08 8 0 04 8 0 02 6 0 0 01 5 41 6 11 9 7 8 2 过渡支架 Z Y 2 6 0 0 0/4 0/8 8 G4 0 0 08 8 0 04 8 0 02 6 0 0 01 6 21 7 31 9 7 8 2 通过比较可知,所选用的液压支架、端头架、 过渡支架支护强度均超过了1 4 7MP a,符合要求 支架能满足支护载荷、支护高度等各项要求,可以 选用. 2 2 2 超前支护支架选型 1主运巷超前支架.主运巷为一次采动影响 巷道,超前支架支护强度核算如式 3经验公式. 其中,采 高 取4 6 m,参 数k取2,可 得P= 2 2 5 6 3k N/m 2=0 2 3MP a. 选择Z Y D C 3 3 7 0 0/2 9/5 5 D型超前支架,核算 支架支护强度为P1=2 4 2 1k N/m 2 =0 2 4 MP a >0 2 3MP a 2回风巷超前支架.回风巷为二次采动巷 道,根据上湾煤矿以往综采二次采动巷道特点,二 次采动巷道矿压显现强烈,但二次采动巷道在靠近 工作面2 0m范围内超前压力和顶板下沉最大,在 距工作面2 0m之外超前压力有所减弱,所以超前 2 0m范围参数k取6,2 0m范围外参数k取4, 即超前支架支护强度需满足以下条件 P1=9 8 1h r k=6 7 6 8 9k N/m 2=0 6 8MP a; P2=9 8 1h r k=4 5 1 2 6k N/m 2=0 4 5MP a. 选 择 Z Q L 2 2 4 5 0 0/2 5/4 7 D I型 和 Z F D C 8 1 1 0 0/2 9/5 5 D型 I I型超前支架,从工作 面开始2 0m范围内使用I型支架,2 0m以外使用 I I型支架,支护总长度4 4 6m,其中I型支护长 度2 3 4m3组 ,I I型支护长度2 1 2m2组 . 核算支护强度计算得支护强度为 P1′ =1 1 6 3 3 4k N/m 2=1 1 6MP a; P2′ =6 9 8 8 1k N/m 2=0 6 9MP a. 满足回风巷超前支护要求. 2 3 矿压规律预测 以上湾煤矿已开采的1 2 4 0 1综采工作面 采高 8 8m同煤层且为大采高的一盘区1 2 2 0 6综采工 作面 采高7m矿压规律统计为参考,对1 2 4 0 2 综采工作面矿压规律进行类比分析[ 7]可得,工作面 初采放顶需采用爆破强制放顶方式,初次来压步距 应不超过4 5m,周期来压步距为1 01 4m,详见 表2. 表2 工作面参数统计及矿压规律预测 项目 初采放顶 方式 设计 采高/m 顶底板条件 直接顶厚度 /m 老顶厚度 /m 直接底厚度 /m 初次来压 来压步距 /m 来压显现程度 1 2 2 0 6综采工作面 爆破强制放顶6 81 5 15 6 70 9 54 4 0 来压强烈 1 2 4 0 1综采工作面 爆破强制放顶8 62 1 08 0 75 6 82 0 3 40 9 61 2 94 4 5 来压强烈,梁端距大, 动载系数1 4 01 7 5 1 2 4 0 2综采工作面 爆破强制放顶8 62 1 08 0 75 6 82 0 3 40 9 61 2 94 5 0 来压强烈 项目 周期来压 来压步距 /m 最大来压强度 /MP a 最大平均顶底板 移近量/m 来压显现 程度 正常 平均顶底板 移近量/m 1 2 2 0 6综采工作面1 41 65 3 00 3 0 来压明显 0 1 0 1 2 4 0 1综采工作面1 11 3 最大5 2 8MP a,4 6 05 1 0MP a较多, 中上部片帮深度1 5m 0 0 7 来压明显 0 0 3 1 2 4 0 2综采工作面1 21 45 3 00 1 0 来压明显 0 0 5 2 4 综采工作面支护安全管理 综采工作面所有支架的立柱、平衡油缸安全阀 应完好,达到额定开启压力时能够自动开启.正常 回采过程中,煤机司机严格控制煤机速度,支架工 49 中国煤炭第4 6卷第7期2 0 2 0年7月 必须距离采煤机顶滚筒23架拉架,周期来压时, 支架工必须紧跟采煤机拉架,滞后采煤机顶滚筒1 2架跟机拉架,拉完架后及时将初撑力恢复设定 值.同时采用超前拉架的方法及时支护顶板,拉完 超前架后,梁端距仍较大的,必须打出伸缩梁,在 顶板离层的情况下,应采用带压、擦顶移架方式拉 架. 3 顶板安全管理 1 2 4 0 2综采工作面采出空间大且开采强度高, 顶板活动剧烈.此外,由于直接顶厚度薄,采空区 充填不充分,基本顶的破断形式与常规开采工作面 不同,工作面非来压期间支架无明显增阻,但来压 时工作面支架冲击载荷较大[ 8-9],工作面来压显 著. 3 1 初采期间顶板管理 3 1 1 强制放顶 1 2 4 0 2综采工作面开切眼高6m、宽1 2m,为 保证安全,工作面初采割6刀煤 5m后,采用 深孔预裂爆破进行强制放顶.强制放顶工作必须严 格按照专项安全技术措施要求进行,确保安全. 3 1 2 初次来压的安全管理 初次来压期间煤壁受压,在采煤机滚筒附近煤 壁易片帮,回收护帮板时有片帮煤大面积掉落现 象,支架压力最大可达5 2 MP a.初次来压以前, 采高必须控制在7m,偏差不超过0 2m,严禁 随意增大和降低采高,由于切眼沿底掘进,留设有 近3m厚的顶煤,初采后必须逐渐提底沿顶回采, 推进到4 0m时,保证工作面全部沿顶回采,工作 面平缓.此外,必须合理组织生产,编制人员防护 等专项安全技术措施,严格遵照执行. 3 2 周期来压顶板管理 根据1 2 4 0 1综采工作面的周期来压情况,埋深 超过1 6 0m、采高达到8m后,周期来压压力增 大.工作面周期来压步距92 0m,主要分布在距 离工作面1 01 6m处,平均1 4m.由于正常回采 期间工作面推进速度较快,来压频繁,几乎每1 2d就有1次来压过程.周期来压持续长度为1 5 6 5m,平均3 8m.来压时工作面中部显现强 烈,综采工作面片帮严重,所以必须加强周期来压 时顶板管理,由专人负责检查初撑力,保证升至设 定值以上.同时要加强组织,快速推进.在顶板离 层的情况下,采用擦顶移架法作业;顶板比较破 碎、有冒顶现象时,应采用超前拉架法作业[ 1 0]. 3 3 末采段顶板管理 在距离末采主撤通道2 0 0m时,技术人员要 加强支架压力记录,及时总结分析矿压显现变化规 律,以便指导贯通.进入末采段后,要及时进行调 整,确保综采工作面两端头推进度相同,同时严格 沿顶板回采,生产中各班严格控制安全出口,防止 窜动.距主撤通道1 6 5m进行挂网,挂网应结合 矿压显现情况,在无压期间作业.此外,应制定末 采贯通安全技术专项措施,并严格遵照执行. 3 4 巷道三角区顶板管理 工作面端头支架必须超前拉出、初撑力符合设 定值.巷道采空区悬顶滞后切顶线超过6m或悬 顶面积大于1 0m 2时,必须采取相关技术措施防止 悬顶面积扩大,主要措施为退锚索[ 1 1],如果现场 条件不允许,则可采用垛沙袋墙等措施及时消除悬 顶隐患. 3 5 矿压观察 为掌握工作面上覆岩层运动发展规律,岩层移 动情况与支架的相互关系以及支架支撑压力的分布 规律,提出合理的顶板管理措施,确定回采巷道的 支护参数,确定煤壁前方巷道合理的维护范围及工 作面端头支护的技术措施等,需要对工作面液压支 架压力、巷道顶板离层仪等矿压监测设施进行有效 管理,并统计、分析相关记录数据,以便为顶板的 安全管理提供科学依据. 3 6 施工效果 1 2 4 0 2综采工作面自2 0 1 9年9月回采以来, 目前已正常推进1 8 0 0m,回采煤量共6 4 0万t,未 发生顶板事故,表明了现有顶板管理技术与措施的 合理性和可靠性. 4 结论 1工作面液压支架、端头支架、过渡支架及 2种巷道超前支架选型合理,经过现场回采验证, 满足8 8m超大采高综采工作面的顶板支护要求. 2采用类比法预测工作面回采矿压参数和规 律,在现场应用中仍具有合理性和实际指导价值, 能够满足顶板支护技术快速推广应用之需. 3现场施工中形成的顶板安全管理体系保障 了超大采高工作面的安全高效生产,具有一定的现 实指导意义.同时也验证了强制放顶、擦顶移架 法、超前拉架法等常规工艺在8 8m超大采高情 59 8 8m超大采高综采工作面支架选型应用及顶板管理研究 况下仍然有效. 参考文献 [ 1] 杨俊哲,刘前进 8 8m超大采高工作面矿压显现规 律实测及机理分析 [ J]煤炭科学技术,2 0 2 0,4 8 1 6 9-7 4 [ 2] 刘 国柱 8 8 m超 大 采高 液压 支架 承 载 能 力 研 究 [ J]煤矿机械,2 0 1 8,3 91 1 5 8-6 0 [ 3] 王海军,孙红发8 8m超大采高液压支架支护强 度研究 [J]煤 炭 技 术,2 0 1 8,3 7 1 0 2 6 6- 2 6 8 [ 4] 李飞,刘混举 8 8m大采高工作面液压支架稳定性 分析及控 制方 案 研 究 [J]山 西 煤 炭,2 0 1 8,3 8 5 3 4-3 7 [ 5] 郭文孝 8 8m综采工作面运输顺槽超前支架组的分 析与应用 [J]煤矿机械,2 0 1 9,4 0 5 1 3 0- 1 3 2 [ 6] 翟春宝,吕英华 8 8m超大采高综采工作面初次强 制放顶技术 [ J]陕西煤炭,2 0 2 0,3 91 9 9- 1 0 3 [ 7] 范文胜超大采高工作面回采关键技术研究 [J] 煤炭工程,2 0 1 8,5 0 7 1-4 [ 8] 黄庆享,周金龙浅埋煤层大采高工作面矿压规律 及顶板结构研究 [ J]煤炭学报,2 0 1 6,4 1S 2 2 7 9-2 8 6 [ 9] 张立辉,李男男 8m大采高综采工作面矿压显现规 律研究 [ J]煤炭科学技术,2 0 1 7,4 51 1 2 1- 2 6 [ 1 0] 李瑞群,陈苏社浅埋深7m大采高综采工作面顶 板灾害防治技术研究 [ J]煤炭工程,2 0 1 7,4 9 S 2 9-1 3 [ 1 1] 王海军神东矿区8m以上超大采高综采工作面技 术探讨 [ J]煤炭 技 术,2 0 1 7,3 31 0 1 6 9- 1 7 1 作者简介冀宏波 1 9 8 9-, 男, 内蒙古鄂尔多斯 人, 中级政工师, 大学本科学历, 主要从事煤矿综采安全 生产管理相关研究工作.E G m a i l6 4 5 0 1 5 1 6 4@q q c o m. 责任编辑 郭东芝 山西省延长煤层气探矿权登记年限至5年 此前,山西省政府印发 山西省煤层气勘查开 采管理办法 以下简称 办法 ,自2 0 2 0年5 月1日起开始施行.日前,山西省自然资源厅发布 相关解读. 山西省自然资源厅表示,山西省要在2 0 2 2年 初步建成国家非常规气基地,必须从省级层面加强 改革统筹和制度刚性,正确处理油气资源开发与矿 区生态保护、政府主导推进与企业主体责任等重要 关系,构建上下同心、企地共建的的全新格局,理 顺煤层气产业 “ 上下联动” “ 内外协调”的体制机 制.出台 办法势在必行. 办法强调,加强煤层气勘查开采管理.推 动资源综合利用和矿区生态保护,不仅要加强政府 部门的监督管理,也要强化煤层气企业的内部管 控,还要持续扩大社会参与监督.维护矿业权人合 法权益,促进煤层气产业高质量发展;要通过放管 结合、破解顽症来加快勘查开采,通过采气输气用 气协调联动、主力气田与产业基地配套建设来增强 发展后劲. 办法提出,强力促进 “ 企业加大投资”与 “ 矿区强化保障” .鼓励更多企业投资、参与煤层气 勘查开采,明确煤层气矿业权市场准入资格为 “ 在 中华人民共和国境内注册+净资产不低于3亿元” ; 勘查开采作业者则应当具备相应的技术能力;两者 不再捆绑.同时,倒逼企业加大投资、加快勘查开 发步伐,明确最低勘查投入未完成比例超过5 0% 的探矿权,不予办理延续登记. 办法同时提出,着力聚焦 “ 加快资源开发” 和 “ 加快基地建设” .延长探矿权登记年限,由原 来的的首设23年、延续2年,统一为5年;取 消 “ 试采报批” .在加快基地建设方面,鼓励煤层 气、致密气、页岩气等 “ 三气”综合评价、综合利 用,实现多气同采共输,摊薄基础设施成本. 办法还提出,率先实施 “ 限制勘查年限” 加 “ 限期完成转采” .“ 探矿权有效期限为5年,可 以续期2次” ,即最长为1 5年.对存续时间超过 1 5年、接近2 0年的煤层气探矿权,考虑到央企资 产核算考核、稳定对外合作等因素,明确允许其延 续一次 5年 ,期满后如未提交探明储量则不再 延续.明确 “ 探矿权人提交探明地质储量后,应在 3年内申请采矿权登记.3年内未完成转采登记的, 探矿权不再延续. 69 中国煤炭第4 6卷第7期2 0 2 0年7月