倾斜厚煤层坚硬顶板长壁综放采场矿压及控制.pdf

矿压与控制 急 2 倾斜厚煤层坚硬顶板长壁综放采场矿压及控制 田靖安,韩书才 靖远煤业有限责任公司,甘肃 白银730913 [摘 要] 运用KGJ2B型在线监测系统,观测总了急 2 倾斜厚煤层坚硬顶板长壁综放采场矿压显 现规律,采取了针对煤帮及顶板的控制措施,确保了安全生产。 [关键词] 急 2 倾斜厚煤层;坚硬顶板;长壁综放;采场矿压 [中图分类号] TD323 [文献标识码] A [文章编号] 100626225 2006 0620071204 Underground Pressure Behavior and Its Control of Long2wallFull2mechan ized CavingM in ing Field under Hard Roof in Steeply Inclined Thick Coal Seam TI AN Jing2an, HAN Shu2cai Jingyuan Coal Co, Ltd. , Baiyin China Abstract The underground pressure behaviorof long2wall full2mechanized cavingmining field under hard roof in steeply inclined thick coal seam is observed and concluded with KGJ2B online monitoring system. Controlmeasures for coal side and roof are adopted to en2 sure safe mining . Key words steeply inclined coal seam; hard roof; long2wall full2mechanized cavingmining; underground pressure in mining field [收稿日期] 2006 - 07 - 19 [作者简介]田靖安1956 - ,男,山西五台人,高级工程师,现任靖远煤业公司副总经理。 本文将倾角45 左右的煤层称之为 “ 急 2 倾斜 煤层 ” 。急 2 倾斜厚煤层走向长壁综放开采,首先要 解决的就是采场支护系统的稳定性问题,支护系统 的稳定性及顶板控制,必须以矿压规律的研究为依 据。急 2 倾斜煤层综放开采,由于冒落顶板不可能 在原地停留堆积,而是沿倾斜向下滚落,形成采空 区下部充填,上部悬空的不同充填特征,影响到顶 板破断后的运动,采场矿压显现有其特殊的规律 性,加之顶板来压时,顶煤破碎加剧,架间及架后 漏煤造成支架接顶不实,支架易倾倒下滑,工作面 支护管理难度大。靖远王家山煤矿通过开采实践和 现场实测,系统研究了急 2 倾斜厚煤层长壁综放采 场矿压显现规律,通过矿压规律研究,采取了针对 煤帮及顶板的控制措施,确保了安全生产。 1 工作面生产技术条件 111 地质条件 44208工作面地表标高为1860～1940m,煤层 埋藏深度为260～320m,地表无任何建筑物,回采 对地面无影响。44208工作面上部为四号井43206 倾斜分层已采工作面及二号井22201水平分层放顶 煤已采工作面。 44208工作面开采二层煤,走向长825m,倾 斜长105m。工作面煤层厚度9～1615m,平均 1214m,呈单斜构造,倾角37～48,平均41, 煤层平均厚度1316m,煤层硬度系数f为110,煤 层裂隙发育程度 Ⅱ 类,煤岩物理力学性质见表1。 煤层基本顶为砂砾岩,厚度2513m左右,成 份以石英岩为主,分选性差,泥钙质胶结,有时变 为粗砂岩,较坚硬,硬度系数f 3185～5129;直 接顶为粉细砂岩,厚度2～3m,水平层理发育;伪 顶为炭质泥岩,厚度015～110m,灰黑色,层面光 滑易垮落,局部分布;直接底为泥岩和粉细砂岩互 层,厚度418m,灰色较致密,较硬。以下为粗砂 岩,厚度1715m。 112 巷道布置 工作面巷道按走向长壁一次采全厚布置。运输 平巷靠近煤层顶板,回风平巷破煤层底板布置,为 半煤岩巷,两道均采用锚网喷浆联合支护方式。开 切眼采用 “ 倾斜 2 圆弧过渡 2 水平 ”的异面空间布置 方式,如图1。 113 采煤方法及顶板控制 采用急 2 倾斜厚煤层走向长壁综放开采方法。 MG200 /5002QWD型 双 滚 筒 采 煤 机 落 煤,采 高 216m,放顶煤高度平均918m,采放比1∶317。工 作面前后部各安装1台SGZ730 /320准双边链刮板 17 第11卷 第6期总第73期 2006年12月 煤 矿 开 采 CoalMining Technology Vo1111 No16 SeriesNo1 73 December 2006 图1 开切眼布置 输送机运煤;ZFQ3600 /16 /28型低位放顶煤液压支 架 及 配 套 的ZFG4800/19 /30型 过 渡 支 架、 ZT14400/20 /31型下端头支架和ZT9600 /20/31型 上端头支架支护,工作面共安装支架72组。 根据该煤层以往分层开采的经验,顶板坚硬, 难垮落,工作面设计采用深孔预爆破强制放顶措 施,全部垮落法管理顶板。 表1 二层煤顶底板岩石物理力学性质参数 [1 - 3] 名称 密度 /kg m - 3 抗拉强 度/MPa 单轴抗 压强度 /MPa 弹性模 量/GPa 泊松比 黏聚力 /MPa 内摩擦 角 / 砂砾岩2560 1171～ 21125 1612～ 4416 15188011818104615 泥岩2400115910516013851032 二层煤13671195 1416～ 4016 3131014531141 粉砂岩2408 1143～ 218 2614～ 4319 1219601238154312 粗砂岩2600214 2413～ 72112 181750125551 2 现场观测 211 测点布置及监测方法 采用KGJ2B型在线监测系统自动连续监测, 定期进行数据分析和预报。 工作面下平段7 ,圆弧段14 ,中断30 ,上 中段58 , 59 及上下端头各设 1个测区,每个测区 装置4个压力传感器,每个测区测相邻2个支架的 前后柱压力,端头特殊支架上,设4个压力传感 器,每个过渡支架设置2个传感器,整个工作面用 压力传感器46个。 在工作面6 , 15 , 32 , 58 支架安装 4个侧 护板压力传感器,在6 支架安装 1个底调梁压力 传感器,以观测支架底调梁的受力情况,观测数据 直接传输到地面机房,由专业技术人员处理,及时 向采煤队发出预报,提出针对性措施。并通过局域 网传送到各管理部门供相关人员查阅。 用直尺或卷尺现场量取工作面回风平巷和运输 平巷的高度、宽度变化,以及工作面支架高度和顶 底板高度,用统计监测法观测记录工作面冒顶高 度、片帮深度、台阶落差、裂隙间距、方位及裂隙 宽度、支架立柱安全阀开启等现象。 212 现场观测结果分析 21211 沿走向矿山压力显现规律 沿工作面走向推进12m,出现1次压力峰值, 工作面煤爆声频繁,上段普遍片帮,深度达400～ 800mm。在回风巷8m、运输巷5～6m范围内巷道 喷层开裂,有坠包、锚杆托板崩脱现象。 第2次来压出现在工作面推进到3816m时, 从2 ～52 支架范围内片帮 ,中段片帮最为严重, 局部深度900mm,端头、过渡架后有矸石充填, 工作面压力曲线图上出现峰值。 第3次来压时累计推进4915m,全工作面片 帮,深度200～600mm。移架时50 支架到上出口 范围架后有直接顶矸石放出,压力曲线出现高峰。 根据压力曲线结合现场观测到的现象分析认 为,工作面推进到12m时,上中段顶煤开始逐次 垮落;20m时,全工作面上位顶煤大范围垮落, 3816m直接顶大范围垮落, 4915m时基本顶垮落, 由于基本顶在煤壁前方的回转下沉,使直接顶在煤 壁附近断裂。参考两道压力变化及变形情况,煤壁 片帮及其他现象,确定初次来压步距为4915m,周 期来压步距18～26m。由于放顶煤工作面顶煤破碎 程度和顶煤厚度对顶板岩石的断裂影响较大,周期 来压步距的偏差相对也比较大。加之,垮落顶板沿 倾斜不同的充填程度,造成工作面上下段来压不同 步,圆弧段以下常常滞后其他地段10～14m,且压 力显现不剧烈,如图2所示。 图2 工作面不同区域支架工作阻力变化曲线 21212 沿倾斜工作面矿压显现特征 现场观测表明,沿倾斜方向,支架载荷呈现中 部最大,下部次之,中上部最小的特征。见图3。 图3 工作面沿倾斜方向不同位置压力变化 工作面沿倾斜方向来压呈现不同步状态,下部 27 总第73期煤 矿 开 采2006年第6期 常滞后中上部10～12m。顶板破坏区域及顶板垮落 始动点沿倾斜方向呈 “ 马鞍型 ”分布,最早的顶 板运动点在工作面中上部,见图4。 图4 工作面沿倾斜方向顶板压力变化区域性特征 大倾角特厚煤层放顶煤工作面顶板岩石垮落后 沿倾斜向下滚动,充填到下段采空区,使上段工作 面采空区形成空洞,基本顶岩层有很大的运动空 间,弯曲下沉的影响范围增大,弯曲下沉过程产生 的集中应力使工作面前方很厚的煤体结构破坏。上 段工作面顶板在运动时,通过顶煤传递到支架上的 压力,由于顶煤严重变形、冒落而减弱,但煤壁片 帮严重,顶煤破碎增加,放煤效果良好。 上段工作面冒落带岩石的向下滚动,补充充填 了工作面下段的采空区。但是由于空间很大,不像 中厚煤层工作面可以完全充填,只能充填到一定程 度。因此,下段工作面的基本顶仍有弯曲下沉、回 转运动的空间,但这个空间已十分有限。基本顶有 限的弯曲下沉、回转运动使工作面前方煤体的破坏 不可能像上段那样充分。煤体的整体性相对较好, 强度较高,使得基本顶弯曲下沉、回转运动产生的 压力能够比较有效地通过顶煤这个介质传递到支架 上,因此,工作面下段顶板压力在支架上表现得比 中、上段大,而煤壁片帮、顶煤破碎程度则较小。 21213 支架荷载分析 1支架工作阻力分析 将工作面支架时间加权平均阻力实测值按小于 500kN,500～1000kN,1000～1500kN,1500～ 2000kN, 2000～2500kN,2500～3000kN,大 于 3000kN进行分组统计。统计结果1000～3000kN 区间占6815;1000kN以下占有2112;3000～ 3500kN区间占1013。 最大时间加权平均阻力3447kN,支架达到的 最大工作阻力3600kN,正常情况下,支架工作阻 力普遍较小。 这是因为,中厚煤层或厚煤层分层工作面的一 分层顶板均为岩石顶板,抗压强度高,上部岩层的 变形压力能够充分地传递到支架上。而放顶煤工作 面支架直接接触的是顶煤,且放顶煤工作面的煤体 强度一般远低于砂岩,由于顶煤的破碎变形,传递 到支架上的压力强度不会大于顶煤的残余强度,因 此,基本顶运动作用到支架上的力相对较小。 2支架侧向力分析 调架时侧护板千斤顶伸出,侧向力随时间的延 长呈下降趋势图5、图 6 这与支架立柱压力一 般呈增大情况相反,说明支架调架时在侧向力的作 用下有下滑趋势。 图5 6分机监测的13支架的侧向力按时间显示 图6 65支架侧护板千斤顶压力按时间显示 在工作面压力增大或基本顶来压时支架立柱压 力增大,特别是安全阀开启频繁时,中上段支架侧 向力明显增大,表现为上段支架侧向力最大,这是 由于顶板向下滑移所致。 观测表明,支架承受的最大侧向力实测值为 1410kN。支架侧向力随工作面倾角增大而增大, 随着上邻支架下滑倾倒而增大。来压期间,若支架 失稳,就会出现较大侧向力,否则,侧向力一般不 会很大。侧向力大小取决于支架的稳定性,支架不 失稳,就不会产生较大侧向力。 3 巷道矿压观测 巷道矿压观测主要通过对巷道变形范围及变形 程度的现场实测,确定超前应力范围及煤壁前方煤 体破碎程度。工作面两巷各设5个测站,每个测站 相隔10m,循环移设,测站上标记变形测量点,并 打1根带压力表的单体液压支柱用于观测超前应力 37 田靖安等急 2 倾斜厚煤层坚硬顶板长壁综放采场矿压及控制2006年第6期 变化。 观测表明,回风巷变形开始出现在超前工作面 42m的地方。在20～10m范围内,变形明显增大, 有喷层开裂脱落及锚杆托板崩脱现象,且有频繁的 煤爆声,每天的变形量达到20mm。通过观测数据 回归整理得出图7的回风巷变形曲线。 图7 回风平巷变形曲线 回风平巷在超前工作面40m时,测站上的液 压支柱压力表增加1MPa左右;随着工作面的推进 压力逐渐增大;在3～5m左右时,增量达到3～ 4MPa,超前压力范围为45～50m。 运输平巷变形超前工作面45m处开始, 30～ 45m,每天变形量为5mm左右;在10～15m,每天 变形量10mm左右;在10m以内,一般每天达到 15mm。观测数据回归曲线见图8。 运输平巷在超前工作面30m时,测站上的液 压支柱压力开始增大,在20～30m范围只是微量 增加; 10～20m内增加115 MPa左右;在5～10m 增加2 MPa左右,超前应力范围为40～45m。 图8 运输平巷变形曲线 4 顶板及片帮控制 实际开采过程中,工作面顶板垮落及时,原计 划采用的强制放顶措施没有执行。根据工作面矿压 显现规律,通常采用的顶板及片帮控制措施是 1根据周期来压步距结合在线监测系统主 机显示的压力曲线及时分析预报周期来压,提前采 取竹锚杆加固煤帮等措施。 2来压期间采取多轮少量放煤的办法,防 止支架空顶,缓减顶板下沉速度。 3支架上侧护板锁死,下侧护板处于活动 状态,出现下倾趋势时及时调架,保持良好的支护 状态。 4支架前梁、掩护梁加装侧护板全封闭, 防止顶煤破碎时支架上方漏空,提高其稳定性。 5 结论 在煤层厚度1214m,平均倾角41 的煤层条件 下,采用走向长壁综放开采,经过现场实测研究, 工作面矿压显现规律如下 1工作面基本顶初次来压及周期来压比较 明显。初次来压较剧烈,但未出现压死或压坏支架 现 象 。 周期来压步距20m左右,约为初次来压步 下转22页 47 总第73期煤 矿 开 采2006年第6期 定煤的自燃倾向性简单直观、分类统一。从表2中 还可以看出在不同的升温速率下,同一种煤样的活 化能也是不一样的,升温速率的影响不可忽略。 从活化能的计算结果可以看出,升温速率提 高,煤的活化能明显增大了。这是因为,热重分析 曲线向高温方向推移,使得所得到的实验数据中的 温度提高,这样拟合直线的斜率B减小了,由E -BR可知活化能E增大了。 综上所述,升温速率是重要的影响因素,过高 的升温速率,致使热重分析曲线向高温方向偏移, 使求得的活化能的值变大,增大了误差。因此,要 选择合适的升温速率,提高活化能计算结果的准确 性,使煤的自燃倾向性鉴定合理有效。 3 结论与展望 311 结论 1利用热重法求解煤的活化能速度快、试 样用量少、对反应产物不需进行分析,可以对反应 的全过程和一定的范围进行研究;活化能作为煤炭 自燃倾向性鉴定的一个指标,简单直观、分类统 一。这种鉴定煤的自燃倾向性方法,科学合理,简 单易行。 2升温速率是一个重要的影响因素,提高 升温速率,热重分析曲线向高温方向移动,计算结 果表明,升温速率增加,煤的活化能明显增大,过 高的升温速率,致使热重分析曲线向高温方向偏 移,使求得的活化能的值变大,增大了误差,因 此,要选择合适的升温速率,提高活化能计算结果 的准确性。 312 展望 1利用热分析动力学求解活化能的方法有 待于深入研究。建议尝试采用Flynn2Wall2Ozawa法 求解活化能,因为与其他方法相比,这种方法避免 了因反应机理函数的假设不同而可能带来的误差, 另外,现有的热重分析仪还可以得到差热分析曲线 和吸放热曲线,也可以尝试利用这两种曲线确定活 化能。 2在实验程序的设定方面,还有两个工作 要做,一是采用更慢的升温速率进行实验,例如 1℃/min或更小,可能更接近实际;二是在不同阶 段采取不同的温升程序进行试验。 希望能够通过研究得出一种系统的、科学的、 能普遍适用的确定煤低温氧化活化能的方法,并制 定出合理的自燃倾向性分类标准,实现以活化能指 标鉴定煤的自燃倾向性,最终将这种鉴定方法应用 于实际的生产当中。 [参考文献] [1 ]刘 剑,等 1煤的活化能理论研究[J ]1煤炭学报, 19991 [2 ]刘 俊 1活化能概念浅析[J ]1文山师范高等专科学校学报, 20021 [3 ]李普旺,等.影响热重曲线的因素分析[J ].热带农业工程, 20041 [责任编辑邹正立] 上接74页 距 60m 左右的1 /3。 2工作面来压时,立柱安全阀开启频繁,活 柱下缩量较大,实测最大工作阻力3600kN,活柱 最大下缩量210mm,来压期间,支架所受侧向力 增大,最大侧向力1410kN,支架有下滑倾倒趋势; 同时,支架下排立柱工作阻力大于上排立柱。 3沿工作面倾斜中部压力最大,下部次之, 中上部最小,来压呈现不同步状态,下部常滞后中 上部10～12m,顶板破坏区域及垮落始动点沿工作 面倾斜方向,在平面上呈 “ 马鞍型 ”分布。 4回风平巷超前应力影响范围为45～50m, 支承压力峰值区在煤壁前方4～5m;运输平巷超前 应力影响范围为40～45m,支承压力峰值区在煤壁 前方3～4m。两道来压时,顶帮位移量较大,距工 作面煤壁3～5m范围内,横向裂缝密度较大,缝 隙较宽。 5与分层开采相比,由于顶煤对基本顶来 压具有垫层缓冲作用,工作面矿压在支架上的显现 相对比较弱,而在工作面直接顶板顶煤,而不 是煤层直接顶上表现出较强的作用。主要原因 是基本顶岩层 “ 悬臂梁 ”通过顶煤柔性支撑,支 承压力集中程度被削弱;基本顶断裂位置多在工作 面控顶区的后部,降低了工作面切顶的可能性;基 本顶岩层断裂后的连续性和载荷传递能力较差。 [参考文献] [1 ]陈梦赉 1对我国现行煤层倾角划分的建议[R ]1采掘机械化 通讯, 1991 11 [2 ]石平五 1急斜煤层老顶破断运动的复杂性[J ]1矿山压力与 顶板管理, 1999 3～4 26228, 2381 [3 ]伍永平,贠东风,张淼丰 1大倾角煤层基本问题研究[ J ]1 煤炭学报, 2000 5 182211[责任编辑毛德兵] 22 总第73期煤 矿 开 采2006年第6期