超长综放工作面采场矿山压力控制.pdf

第 2 6卷第 6期 2 0 0 1 年l 2月 煤 炭 学 报 d oURNAL OF C HI NA C OAL S OCI E TY 2 6 No 6 De c 2 o o 1 文章编号 0 2 5 39 9 9 3 c 2 0 0 1 】 0 6 0 6 2 1 0 5 超长综放工作面采场矿 山压 力控制 曹 胜 根， 缪 协兴 中国矿业大学 矿山压力研究所． 江苏 绮州2 2 1 0 0 8 摘要 以王庄煤矿 4 3 2 6超长综放工作 面为例，分析 了超 长综放 工作面矿 山压力显现规律 ．提 出了采场顶板的控制措施．超长综放工作面顶板 来压在工作 面方向出现不 同步特征 ，老顶断裂步 距较一般工作面小．提出主 关键层 来压的新概念，指出回采 工作 面矿压显现程度主要受主 关键层 破 断的影响采 用双泵双回路供液系统可以显著提高工作 面支架初撑力，改善工作 面端面硕板维 护 状 况 ． 关键词 超长综放工作面；主关键层 来压；矿压控制 中图分类号， r I] 8 2 3 4 9 文献标识码 A 目前经过试验、发展 、推广和提高几个阶段 ，综采放顶煤技术 已成为具有 中国特色的厚煤层 开采的高 产高效采煤技术如何进一步完善综放生产技术 ，提高工作面单产 ，更加合理集 中生产．推动煤炭工业的 发展 ，是广大煤炭科技人员面临的重大研究课题之一 国外先进采煤国家的成功经验表明，不断加长工作面长度已成为矿井高产高效集中生产的主要技术方 向之一． 综放工作面长度的加大，不仅能提高工作面单产、方便巷道布置、简化生产系统、有利于矿井高 度集中生产．而且能提高矿井资源采出率，并有利于地表建筑物 如铁路、国道等的保护． 但工作面长 度受到工作面配套设备的装备水平、通风及安全等条件制约，顶板管理难度增大，设备故障增加，劳动组 织复杂因此在工作面采场控制技术等方面必须采取一些特殊的措施，以确保超长综放工作面的安全生产 和高产高效 ． 本文以潞安王庄煤矿 4 3 2 6超长综放工作面为例 ，分析了超长工作面矿 山压力显现规律 ，并 就支架运转特性、端面顶板 煤的控制等方面提出了具体的控制措施． 1 4 3 2 6超 长综放工 作面概述 王庄煤矿 4 3 2 6 综放工作面采 3 号煤层，煤厚 6 ． 8 6 --7 1 4 11 1 ，r 2 ～3 ．煤层埋藏深度 2 2 5 ～2 4 3 m； 煤层内共含夹矸 5 层．厚度0 4 9]711 ，r 1 ～3 直接顶为砂质泥岩，平均厚度 2 4 5 11 1 ，， 1 ～3 老顶砂 岩， 平均厚度 1 7 4 7 11 1直接底砂岩， 平均厚度 1 ． 8 11 1 ，， 3 ～8 老底砂质泥岩，平均厚度 5 11 1 ． 在煤层 之上 4 6 ． 4 7 m处是 8 ． 5 5 11 1 厚的砂岩 ．经判断．该层砂岩是主关键层 ，它的破断将对采场产生强烈 的矿压 显 现 ． 该面整体上是一个向切眼方向倾斜的单斜构造，煤层倾角 0 --1 2 。 ，在工作面后半部 9 0 ～1 4 0 号架有 4 条走 向与工作面推进方向基本一致的断层 ，落差为 0 5 2 ～1 ． 1 11 1 整个 工作面节理、裂 隙、层理发育 ，尤 其是在断层前、后属地质破碎带． 另外该处还存在一个背斜褶曲，褶曲轴向与工作面走向趋于一致 ， 倾角 为 2 ～3 。 ． 工作面采用倾斜长壁低位放顶煤一次采全高．全部垮落的综合机械化采煤法．沿煤层倾斜方向由西向 东推进，仰斜开采，西与 6 1 1 1 已采面相连， 南北为未采面． 根据 4 3 2 6 工作面煤层地质条件、设备装备水 平及管理水平 ，考虑到 4 3 2 6工作面上方地表 3 0 9国道的保护，选定工作面长度为 2 7 0m． 这是 目前我国最 收稿 日期 2 0 0 1 0 2 1 2 基金项目国家 自 然科学基金重点资助项 目 5 9 7 3 4 0 9 0 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 1 q第2 6 卷 长的综放工作 面 工作面采用 1 7 4 组Z Z P 4 8 0 0 1 7 ／ 3 3 F型支架，两端头采用两套z T 1 9 2 0 0 1 8 ／ 3 端头架配合4 组 z P T 8 7 5 0 1 7 ／ 3 2排头架管理顶板工作面采高 3 m，放煤高度 4 m，一采一放 为一循环 ．循环进度 0． 8 m Z Z P 4 8 0 0 1 7 ／ 3 3 F型放顶煤支架参数为初撑力 3 9 5 8 k N，工作阻力 4 8 0 0 k N，支护面积 7 ． 0 2m ．支护 强度 O ． 6 5 MP a 2 超长综放工作面矿 压显现规律 2 ． 1 采场上部煤 岩 层活动规律 当工作面从切眼推进 5 ． 5 m左右时 ，顶煤初次垮落 ，垮落高度 2 ～3 m，随工作 面继续推进，当机巷 惯 4 推进 1 1 m，风巷侧推进 7 m时， 顶煤全厚度垮落．且块度较大． 顶煤初次垮落后，支承压力的破煤作 用不断提高 ，同时也为顶煤的继续垮落开出了自由面 ． 因此进人正常推进阶段 ，顶煤可随采随冒 直接顶的垮落滞后顶煤一定距离 5 m左右 ，初垮期间工作面也产生一定程度的矿山压力显现．随 着工作面的不断推进及顶煤和直接顶的不断冒落，老顶的悬跨度不断增大． 据实测，老顶的初次垮落步距 为2 1 ． 8 ～2 5 ． 0 m，且沿工作面长度方向出现不同步特性 ，即工作 面加长以后 ，老顶来压呈现 中间段超前 、 两端头落后的特征 ， 并且工作面上、中、下部老顶来压步距也不一致同时由于 9 O ～1 4 0 号架之间断层的 存在 ，也使得这种现象更为明显． 4 3 2 6超长综放工作面老顶的初次和周期来压对工作面造成 比较强烈的矿 山压力显现 ，主要表现为支 架阻力急剧上升 ，煤壁片帮 ，在工作面还能听到顶板断裂发出的声音． 2 ． 2 主关键层破断对工作面矿压显现的影响 在实测中发现，工作面正常推进过程中，老顶的来压将引起工作面比较强烈的矿压显现，但此时支架 工作阻力仍有一定的富裕，支架安全阀还没有达到开启的程度而当工作面推进到 8 O --9 0 m时，工作面 矿压显现突然加剧 ，煤壁 片帮深度在 1 ． 0 m 以上，并且几乎整个工作面范围都 出现片帮，端面上方部分区 域出现断裂线 ，裂缝宽度达 2 0--3 0 r t l r 1 ． 继煤壁片帮后 ，即出现支架迅速增阻 ，速度达 4 0 0 k N／ 架 - h ， 支柱迅速下降，个别支架后柱可缩量仅剩 5 0 --6 0 rt lr 1 ， 支架空间变小，安全阀开启率达 2 2 ％． 岩层移动与地表沉陷 的实测结果如图 i 所示 ，4 3 2 6工作面在推进 6 0 m 时，地表开始 出现下沉，1 9 9 9 0 7 0 7 推进 到 8 4 ． 5m时 ，地表下沉最大 O ． 9 2m，超前影响 5 5m，影响角 7 7 ，地表有裂隙出现，局部 隆起 ，地表下沉盆地开始出现 ，最大下沉点的下沉速度为 0 ． 1 m／ d 由此可以推断，当工作面推进到 8 5 m 左右时 ，上覆主关键层破断 ，导致地表沉 陷加剧 ，造成工作面支架安全 阀开启 ，达到或超过 其额定阻力 值 ．称这种 由于上覆主关键层破断而对工作面产生强烈矿压显现的现象为主关键层来压 0 0 0 0 o 0 0 o 0 0 o 0 0 0 0 0 开切跟距 离， m 1 0 0 2 0 0 3 0 t 4 0 0 图 1 地 表下沉 观测结果 Fi g ． 1 Ob s e r v a t io n r e s u l t s o f s u rfa c e s u b s i d e n c e 1 ～6 1 9 9 90 707．1 99 90 71 3． 1 9 9 9 0 7 2 0 1 9 9 9072 6， 1 9 9 90 8 1 6． 1 9 9 9 09 0 9 现场实测 4 3 2 6 超长综放工作面主关键层来压时的强度远 大于老顶来压时的强度工作面液压支架来压时的动载系数见 表 1 ． 表 1 来压时的动载系数 T a b l e1 功 Il T l j c I o e d e o e f l l e l e n t s d u r i n gw e i 曲t t a g 维普资讯 第 6期 曹胜根等 超长综放工作 面采场矿 山压力控制 由此可以看出，在超长综放工作面， 直接顶和老顶的垮落对工作面产生较明显的矿压显现， 但其强度 远远不及上覆主关键层破断对工作面的影响，也就是说 ，回采工作面矿山压力显现程度主要受上覆主关键 层破断的影响主关键层的破断将会引起地表充分的沉陷 ，同时给工作面带来强烈的矿压显现． 2 ． 3 工作面液压支架支护阻力评述 4 3 2 6超长综放工作面观测期间，支架阻力随推进度的变化关系如 图 2所示 ．支架工作状态沿工作面 长度方 向的分布见表 2 ． 表 2 4 3 2 6 T作面支架 状态 沿工作面的分布 4 0 0 0 3∞ 0 j 2 ∞ 0 L o 0 0 0 图 2 1 2 9 号 支架最大阻力分布曲线 F i g 2 W o r k i n g r e s is t a n c e c L 1 r e Ta b l e 2 S u p p m t i n g l o a d a t 4 3 2 6 mi n i n g f a c e k ／ 实测支架初撑力平均值为 1 2 8 8 ． 2 k N，仅占额定初撑力的3 2 ． 5 ％工作面实际初撑力偏低，其主要 原因 1 工作面长度加长 以后 ，泵压损失较大； 2 支架工况不是很好 ，串液漏液现象严重因此必须 采取措施提高支架初撑力 ，尤其在来压期间更应注意，以减少顶板活动对采场 的影响，确保工作面端面顶 板的完整 实测最大平均工作阻力 3 7 3 4 ． 1 k N ／ 架，占 额定工作阻力的 7 7 ． 8 ％，实测最大工作阻力即为额定工作 阻力，这时支架的安全阀开启． 时间加权平均阻力平均 3 4 6 6 k N／ 架，占额定工作阻力的 7 2 ． 2 ％． 从上面的分析可以看出，4 3 2 6 综放工作面所选用的Z Z P 4 8 0 0 1 7 ／ 3 3 F型放顶煤液压支架的工作阻力 基本满足要求． 当上覆主关键层破断时，工作面个别支架安全阀开启，达到额定工作阻力值，大部分支架 的工作阻力还没有达到额定值 ． 3 超长综 放工作面采场矿 山压力控 制技术 3 ． 1 综放支架运转特性分析 工作面支架运转特性的频率分布如图 3所示．整个工作面范 围内支架处于初撑状态的占 3 6 ． 6 ％，一增 阻状态的占4 9 ． 7 ％，二增阻状态的占6 ％，多增阻状态的占0 ． 9 ％，而处于降阻状态的占6 ． 5 ％因此从 整体上看 ，初撑和一增状态占 8 6 ． 3 ％，支架运转状况 良好． 由沿面长的分布可见 ，在工作面两端 9 0 ％ 以上都处于初撑和一 6 0 增状态，其中机巷侧处于初撑 的为 6 0 ％．由此可见，两端支架受顶 板活动的影响较小， 并且机巷侧支架的载荷小于风巷侧． 与工作面两 茗 端相 此， 中 部支架受顶板活动的 影响较大， 初撑和一 增状态的占 茎 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 1 年第2 6 卷 来 ，支架设计初撑力是可以满足要求的，但工作面支架实际初撑力却很低 ，需要采取一些措施 ，确保端面 不冒顶和煤壁不片帮 ． 3 ． 2 端面顶板稳定性控制 在采用综放支架以后，工作面顶板控制的重点是煤壁和支架顶梁之间的无支护空间，即端面顶板 煤 ，而其冒落情况与顶煤强度、节理发育情况、矿山压力大小、控顶距等因素有关4 3 2 6超长综放工 作面在 1 9 9 9年 6月 l E l 至 7月 2 0日的观测期间 试采期内端面顶煤完整情况见表 3 由此可见，在整个工作面范围内，端面顶煤的 完整性和煤壁片帮情况在工作面不同地段，情况不 同，这主要与工作面内的局部地质构造有关．在 1 0 1 ～1 4 0号架处 的端面 冒顶 和煤壁片帮 已经对生 产造成一定 的影响，因此必须采取一定的措施加以 预 防 ． 1 保持支架的完好，试采期间支架 串液 、漏 液现象严重 ，经常有支架 特别是中部支架控制 表 3 4 3 2 6面在观测期间端面顶煤完整情况 T a b l e 3 To p c o a l s t a t e o fNo ． 4 3 2 6 n a n t n g f a c e i n o b s e r v a t i o n p e do d 阔损坏，工作面支护质量不好． 据统计，由于支架的串液漏液，在 2 h内，就要消耗 4箱乳化液． 因此在 实际操作中及时对支架及其管路、阔组进行大修、更换，这样改善了支架的工作状况，较好地维护了 顶板 的完整性 ． 2 追机及时支护，封闭工作面端面顶板，加快工作面推进速度，减轻工作面矿压显现程度，缩短控 顶距 ，及时护顶 3 确保泵站压力 ，采用双回路供液 ，提高支架初撑力 ． 工作面加长以后，乳化液系统存在较大的压 力和流量损失，导致工作面支架初撑力不高，移架速度慢． 另外，工作面乳化液泵站设计压力 3 1 ． 5 MP a ， 要求泵压 ≥3 0 MP a ，但井下观测结果是泵站压力在 3 0 M1 J a以下因此在生产过程 中对乳化液泵站进行 了改造，将工作面支架分成两部分 ，增加一台泵站，采用双泵双回路供液改造后的泵站供液系统如图 4 所示． 经过改造后 ，支架初撑力的值有一个很大幅度的提高 ，见表 4 ． 表 4 泵站改造前、后 支架初撑力 的对 比 图 4 双泵双回路供 液系统 F ． 4 Two e mu l s i o n p u ml m i n d o u b l e c i r c u i t e mu l s io n s u p p l y s y s t e m 11号泵 ；2 2号泵 ；3 交替 阀； 4 三通阀 T a b l e 4 T h e r a p a m o n o f s e l l i n gl 0 日 d b e f o r e a n d a f t e r t h ei n n o v a l i o n o f a u l s i o n p o w e r p a c k k N ／ 架 由此可见 ，实测支架初撑力的平均值由原来 占额定值的 3 2 ． 5 ％提高到 7 1 ％，达到 2 8 1 0 k N，支架工 作阻力也有较大幅度的提高 ，支架的支护推移时间缩短 ． 割煤后暴露顶板在其 自稳时间 内得到 了有效支 护，控制了顶板下沉，减缓了煤壁上方顶煤的变形及裂隙贯通，减少 了端面冒顶事故 ，而且一直保持了顶 煤架前完整和架后破碎的理想放煤状态，工作面的支护状况发生了显著的变化． 维普资讯 第 6 期 曹胜根等 超长综放工作面采场矿山压力控制 4 结 语 潞安王庄煤矿 4 3 2 6综放工作面的长度为 2 7 0m， 工作面长度的加长 ，不仅仅是支架数量 的增加和输送 机长度的加长 ，它将带来一系列的问题 ，如设备配套 、工艺参数 、采场巷道矿压 、瓦斯粉尘 、地表沉陷 等本文对采场矿山压力显现规律做了一些分析，并针对生产中存在的问题提出了一些采场顶板控制 的措 施． 实践证明，采用这些措施后，采场顶板事故大为减少，为实现工作面安全、高效、优质、 低耗的目标 奠定 了基础，4 3 2 6 超长综放工作面创造 了日产 1 ． 8 2 2 9万 t 的全 国最高纪录，月产 3 5 ． 2 9 4 7 万 t 的全国先 进水平 参考文献 [ 1 钱鸣高．许家林岩层控制中的关键层理论研究 [ J ] 煤炭学报，1 9 9 6 ，2 1 5 2 2 5 --2 3 0 ． [ 2 J 许家林 ，钱鸣高． 覆岩关键层位置的判别方珐 Ⅲ中国矿业大学学报，2 0 0 0 ，2 9 5 4 6 3 ～4 6 7 [ 3 ] 许家林，吴明，朱卫兵．关键层判别方法的计算机实现 _ l1 矿山压力与顶板管理．2 0 0 0 4 2 9 --3 0 [ 4 ] 钱鸣高，刘听成矿山压力及其控制 [ M] 北京煤炭工业出版社，1 9 9 1 5 】 曹胜根，钱鸣高 采场支架围岩关系新研究 [ J ] 煤炭学报，1 9 9 8 ， 2 3 6 5 7 5 -- 5 7 9 6 ] 曹胜根，钱鸣高，缪协兴综放开采端面顶板稳定性的数值模拟研究 [ J ] 岩石力学与工程学报，2 0 0 0 ，1 9 4 作者简介 曹胜根 1 9 6 8 一 ，男，江苏泰州人，博士，高级工程师，1 9 8 9年毕业于中国矿业大学 ，现主要从事采场矿压的科研 和科技期刊的编辑工作．发表 “ 采场支架围岩关系新研究”等论文 2 0余篇 Gr o u n d pr e s s u r e c o nt ro l l i ng o n s u p e r - l e ng t h f u l l y - me c ha ni z e d mi n i ng f a c e wi t h t o p - c o a l c a v i ng C AO S h e n g - g e n，M I AO X／ e - x i n g 凸 m Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e r h n o lo g y xu 删2 2 1 0 0 8 ，C h i n a Ab s t r a c t Re g a r d i n g 4 3 2 6 s u p e r l e n g t h f u l l y me c h a n i z e d t o p c o a l c a v i n g f a c e a s a n e x a mp l e ，t h e r e g u [ a r i t y o f s t r a t a b e ha v i o r s i s a n a l y z e d ．t h e me a s u r e me n t s o f r o o f c o n t rol l i n g a r e p u t f o m a r d Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e we i g h ti n g i n t e r v al a t 4 3 2 6 mi n i n g f a c e i s l e s s t h a n t h a t a t a n o r d i n a r y l e n g t h f a ce ， a n d i n t h e d i f f e r e n t p o s i t i o n o f t h e s u p e r l e ng t h f a c e ，t h e we i g h t i ng i n t e r v a [ i s d i f f e r e n t Th e i d ea o f k e y s t r a t u m p r e ssu r e i s p u t f o r wa r d，a n d t h e g r o u n d p r e s s u r e i s ma i n l y i n fl u e n c e d b y t h e b rea k a g e o f k e y s t r a t u m．Th e s e t t i n g l o a d o f s u p p o r t s ma y b e s i g Mfi c an t l y i mp r o v e d b y u s i n g t wo e mu l s i o n p u mp s i n d o u b l e c i r c u i t e mu l s i o n s u p p l y s y s t e m ，a n d t h e r o o f s u p p o r t i ng s i t u a t i o n i n t l p - t o - f a c e are a c a n be als o i mp r o v e d Ke y wo r d s s u per l e n g t h f u [ 1 y - me c h a n i z e d mi n i n g f a c e wi t h t o p - c oa l cav i n g； k e y s t r a t u m p r e ssu re； g r o u n d p r e s s u r e c o n t r o l l i n g 维普资讯