回坡底矿2103工作面开采矿压规律的研究.pdf

2020 年第 9 期2020 年 9 月 山西霍州煤电集团回坡底煤矿位于洪洞县刘家垣 镇回坡底村，开拓方式为斜井开拓，设计生产能力为 1.2伊106t/a，当前主要开采 10煤层。10煤层地质条件 非常复杂，具有煤层瓦斯含量高、采空区遗煤易自然 发火、冲击地压、巨厚含水层、软弱顶板条件下的异 常矿压显现等致灾因素。软弱顶板条件下的异常矿压 显现已引发多起压架安全事故，成为该矿主要的灾害 形式，严重威胁到工作面作业人员的安全，必须进行 防治[1]。 1工程概况 基于当前回坡底煤矿工作面频繁发生压架事故， 为了达到压架防治和安全回采的目的，决定以 2103 工 作面为例，对软弱顶板条件下的工作面开采矿压规律 进行研究。2103 工作面走向长度为 850 m，倾向长度 为 200 m，采高为 3.5 m，放煤高度为 5～8 m，煤层 倾角为 1毅耀14毅，日进尺约 8 刀，采用 ZF15000/21/38 型 支撑掩护式支架[2]。 2工作面矿压规律实测分析 2103 工作面压力监测采用 JK21 矿山压力监测系 统，支架压力记录仪布置在 18 个支架上，每台记录仪 分别监测左前柱和右后柱的工作阻力[3]。 2.1初次及周期来压矿压显现特征 a 初次来压。工作面中部首先开始来压，且从机 尾向机头方向逐渐来压，初次来压步距为 51 m，持续 影响 21.5 m。b 周期来压。选取一个月的矿压数据进 行统计分析可知，工作面呈现明显的大、小周期来压现 象，共来压 10 次，包括 2 次大周期来压，平均周期来 压步距为 15.4 m，平均持续步距 8 刀，约一个圆班。 由工作面周期来压期间支架工作阻力和动载系统 统计数据可知，支架平均工作阻力为 11 230 kN，动载 系数为 1.11，立柱受力前后动载系数为 1.12，支架前后 立柱受力较为均衡。 2.2大周期来压矿压显现特征 由历次大周期来压统计数据分析可知，大周期来压 步距为 150～200 m，持续步距达到 11耀21 刀，大周期 来压平均为 13 000 kN，来压期间安全阀长时间开启。 由工作面大周期来压动载系数统计数据可知，动载 系数基本在 1.3耀1.6，平均动载系数为 1.46，支架动载 系数较大，覆岩活动剧烈。 由支架安全阀开启率统计结果可知，非来压期间支 架安全阀升启率为 5.2耀39.6，平均为 18.3，而大 周期来期间支架安全阀开启率为 13.5耀42.7，平均为 31.7。安全阀开启频次与顶板周期来压相关性显著， 大周期来压时支架安全阀开启率大幅度提高，工作面 顶板来压强烈，影响范围广。 3矿压规律的模拟试验 3.1相似材料配比及模型建立 试验选用平面模型，模型尺寸 420 cm伊25 cm伊 150 cm，几何相似常数为 70，相当于模拟走向长度 294 m，覆岩层高度 105 m，没有铺出的覆岩厚度约 收稿日期2020-03-27 作者简介王晓航，1988年生，男，山西霍州人，2014年毕业于中 国矿业大学采矿工程专业，助理工程师。 回坡底矿 2103 工作面开采矿压规律的研究 王晓航 （ 霍州煤电集团回坡底煤矿安全科，山西 霍州 031400 ） 摘要 以回坡底煤矿 2103 工作面为例，对软弱顶板条件下的工作面开采矿压显现规律进行了研究。通过现场矿压实 测数据分析、现场宏观矿压观测及实验室相似材料模拟研究，得出了工作面的大小周期来压规律，认识了软弱顶板条件 下特厚煤层综放开采的覆岩破断结构特征，并提出了来压预警指标，将对压架防治起到积极作用。 关键词 软弱顶板；初次来压；大周期来压来压预警指标 中图分类号 TD323文献标志码 A文章编号 2095-0802-202009-0039-02 Study on Mine Pressure Law of 2103 Working Face Mining in Huipodi Coal Mine WANG Xiaohang Safety Department of Huipodi Coal Mine, Huozhou Coal Electricity Group, Huozhou 031400, Shanxi, China Abstract Taking 2103 working face of Huipodi Coal Mine as an example, this paper studied the mine pressure behavior law under the condition of soft-weak roof. Through the analysis of field measured data of mine pressure, field macroscopic mine pressure observation and laboratory simulation of similar materials, the large and small periodic weighting law of working face was obtained, and the structural characteristics of overburden fracture in fully mechanized coal caving mining of extra thick coal seam under the condition of soft-weak roof were recognized, and the weighting pre-warning index was put forward, which would play a positive role in the prevention and control of support crushing. Key words soft-weak roof; first weighting; large periodic weighting; weighting pre-warning index （总第 180 期） 能源研究 39 2020 年第 9 期2020 年 9 月 400 m，通过加压配重均匀作用于模型上表面。根据相 似原理与量纲分析，大模型的容重相似常数为 1.45，应 力相似常数为 101.5，时间相似常数为 48。 3.2试验支架模型 支架模型由承载板及连接附件、液压立柱、位移 传感器、压力传感器等附件构成。由手动压力泵向液 压立柱注液驱动支架升降，位移传感器监测支架升降 的位移，压力传感器监测立柱水载的载荷值，并过三 通道数据采集仪将实时采集的位移和压力值传输到数 据采集系统，在数据采集端实现对数据的记录、存储 和查看功能。液压支架模型的升降范围为 50耀90 mm， 顶梁长度为 120 mm，宽度为 100 m，立柱缸径为 16 mm， 活柱柱径为 12 mm，当支架承载 100 kg 时，工作压力 小于 3 MPa。 模拟中采用全站仪测定各测点的运动轨迹，采用 支架模型记录开挖过程中压力的变化。模型开挖高度 6 cm，放煤高度 9 cm，采放比为 1颐1.5，留 8 cm 底煤。 为减小边界效应对模拟结果的影响，在距模型边界 40 cm 处开切眼，切眼长度 25 cm。每次开挖步距为 5 cm，开挖后放置 0.5 h，前 25 cm 只开挖不放顶煤。 3.2.1覆岩破坏结构分析 工作面开切眼 25 cm 后放入支架模型，通过液压 手动泵将支架初撑力升至 5 MPa；每次循环开挖 5 cm 后完成“卸压降柱→移架→注液升架→静置 0.5 h”的过 程；开挖至 50 cm 时顶煤开始垮落，但初期不放顶煤。 当推进至 65耀100 cm 时，直接顶逐步离层、垮落， 高度为 28 cm （实际 19.6 m ）；推进至 120 cm （实际 84 m ） 时，基本顶初次破断垮落，垮落高度为 39.8 cm （ 实际 27.86 m ） ，基本顶破断之前直接顶以悬臂梁的形 式存在，基本顶初次破断之后形成铰接岩梁结构，该 结构一端作用于前方未破断岩层，另一端作用于已垮 落采空区矸石，基本顶垮落后上方软弱岩层垮落滞后。 在推进 120耀190 cm 的过程中，基本顶每隔 20耀 30 cm 周期性破断；当工作面推进 190 cm 时，覆岩破 坏高度达 100 m （ 实际 70 m ） ；当工作面推进至 220 m 时，顶板沿着工作面煤壁切顶，破坏至模型上表面， 引发强烈来压；当工作面推进至 230 cm 时，工作面顶 板上部超前断裂，超前距离约 30 cm，且随着工作面向 断裂方向推进，断裂线逐步向下发展，当推进至断裂 区下方时，覆岩沿煤壁整体切落，支架活柱量下缩到 基本为零。 3.2.2覆岩破坏与支架力学响应特征分析 由历次来压及覆岩破坏高度对应关系数据可知， 初次来压步距为 66.5 m，周期来压步距为 14耀21 m， 平均 16.8 m，与工作面实际来压情况比较吻合。覆岩 垮落高度自工作面初次来压起，呈现“缓慢变化→快 速增加→相对稳定”3 个发展阶段，当破断至煤层顶板 以上 86.8 m 时，破断基木趋于稳定状态。 由来压时支架压力与活柱伸缩量变化关系可知， 由于管路系统油液压缩和顶煤体受压破碎等原因，支 架升柱后压力曲线有所下降，而后趋于稳定。当覆岩 发生破断时，尤其是发生架前切顶时，破断岩体作用 于支架模型上，呈现承载急增阻状态，活柱快速下降。 4来压预警指标的确定 根据矿压规律研究，为了防止工作面压架事故发 生，有必要采取来压预警措施，来压预警指标如下 a 支架工作阻力。来压时支架工作阻力处于高位 状态，支架安全阀升启。因此，以支架安全阀实际开 启值作为压坐在支架工作阻力方面的判别上限是合理 的。根据 2103 工作面大周期来压时的矿压数据分析， 合理的支架工作阻力上限预警值为 13 000 N。 b 支柱活柱下缩量。来压时压力显现强烈，支架 活柱逐渐下缩，因此，可设置活柱量下限值作为来压 发生的警戒线。对比支架和采煤机选型配套参数，允 许采煤机通过的最小支架活柱量为 300 mm。根据 2103 工作面大周期来压期间支架不同岩柱量下的行人、采 煤机运行、支架操作方便程度等状况，取 500 mm 作为 富余量，则合理的活柱量下限值应设置为 0.8 m。 c 安全阀开启率。来压是顶板大面积破断失稳的 结果，必然伴随大范围支架安全阀开启。根据 2103 工 作面大周期来压时支架安全阀开启情况，当连续超过 5 架记录仪都达到安全阀开启值时，工作面来压，并且 压架危险性高。 d 煤壁片帮及煤炮。工作面来压时伴随煤壁片帮 及煤炮声响，大周期来压时煤壁片帮比小周期来压时 严重，煤炮声频繁“连成片” ，此现象可作为来压的辅 助预警指标。 5结语 a 通过矿压监测系统监测分析，得出初次来压步 距 51 m，持续影响 21.5 m；工作面呈现明显的大、小 周期来压现象，小周期来压步距 15.4 m，持续步距 8 刀，支架平均工作阻力 11 230 kN，动载系数 1.11； 大周期来压步距为 150耀200 m，持续步距达 11耀21 刀， 支架平均工作阻力 13 000 kN，动载系数平均 1.46，安 全阀开启率平均 31.7。b 通过相似材料模拟试验，得 出初次来压步距为 66.5 m，周期来压步距平均 16.8 m， 与工作面实际来压较吻合。c 根据支架工作阻力、支 架活柱下缩量、安全阀开启率、煤壁片帮与煤炮 4 个 指标进行来压顶警，将对压架防治起到积极作用。 参考文献 ［1］ 陈素彬.厚松散层薄基岩采场支架适应性研究 ［J］ .江西煤炭 科技， 20172 58-61. ［2］ 赵武强， 李亮， 丁国峰， 等.松软煤层综放工作面矿压显现规律 实测与分析 ［J］ .煤炭技术， 2016， 3510 39-41. ［3］ 李正杰， 王之永， 王利峰， 等.特厚煤层综放开采出水压架预警 机制及防治体系 ［J］ .中国煤炭， 2015， 418 49-53. （ 责任编辑刘晓芳 ） 40