深部开采冲击地压煤层防冲支护系统研究.pdf
2 0 1 2年第 8 期 中州煤炭 总第2 0 0期 深部 开采冲击地压煤层 防冲支护 系统研究 马献 超 , 杜东 见 , 韩 玉 鉴 1 . 义煤集团公 司 职教 中心 , 河南 义马4 7 2 3 0 0 ; 2 . 河南大有能源股份有限公司 , 河南 义马4 7 2 3 0 0 ; 3 . 义煤集 团公 司 巩义铁 生沟煤业有限公 司, 河 南 巩 义4 5 1 2 7 4 摘要 伴随矿 山开采深度的增加和开采速度的提升 , 冲 击地 压成 为严 重危害我 国矿 山安全 生产 的重 大隐患。 一 套 安全 可靠的支护 系统 , 在冲击地压 防治 中具有重 要作 用。结合义煤 集 团跃进煤矿 2 5 1 1 0工作 面实 际地 质情况 , 基于该 区域矿压规律 , 针 对性地设 计 了一套 防冲支护系统, 确保 了回采过程 中的巷道安全。 关键 词 冲 击地压 ; 防冲; 围岩支护 中图分类号 T D 3 2 4 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 2 0 8 0 1 0 5 0 4 冲击地压 又称 岩 爆 , 是 指 井 巷 或工 作 面周 围 岩 体 由于 弹性 变形 能的 瞬时释 放而 产生 突然剧 烈破 坏 的动力现象 , 常伴有煤岩体抛 出、 巨响及气 浪等现 象 , 且 具有很 大 的破坏 性 , 是 煤矿 重大 灾害 之一 。 在各种 冲击地压防治技术与措施中, 围岩支护体系 占有重 要地 位 。而 在林 林 总 总 的 围岩支 护技 术 中 , 液压支护系统是直接支撑巷道 围岩体 系、 保护巷道 断面 的一 种传 统 且有 效 的支 护 形式 。在 冲击 地 压发生过程中, 有效支撑围岩结构 , 防止巷道过度收 缩是保障生命安全的最后一道防线。结合 目前多种 液 压支 护技术 , 参 照矿 区支 护 特 点及 冲击 倾 向性 特 征 , 对液压支护系统进行专项设计 , 是又一防止冲击 地压 、 减少人员伤亡与财产损失的有效之举 。 1 矿 井概况 跃进 煤矿 位于 义马市 南 2 k m, 井 田东 西 走 向长 3 . 8~ 6 . 9 k m, 倾 斜 宽 2 . 0~3 . 9 k m, 面 积 约 2 1 . 4 k m 。地 面标 高 5 0 1一 5 8 8 m, 埋 深 5 8 0~1 0 4 0 m。跃进煤矿煤岩体 比较坚硬 , 顶板 为厚 而坚 硬的 岩层。直接顶为厚度超 2 0 m的砂质泥岩, 基本顶为 巨厚 砾 岩层 。 自2 0 0 6年 以来 , 在 2 5 0 8 0和 2 5 0 9 0回 风 巷 掘进 及 2 5 0 9 0、 2 5 1 1 0工 作 面 回采 过 程 中 , 均 多 次发生 大 的煤炮 及震 动 现 象 , 部 分 地 段 的煤 壁 大 面 积片帮、 挤出、 底板隆起 , 出现锚杆及锚索拉断等现 象 。根据煤层冲击倾 向分类指标 , 跃进煤矿 的煤层 收稿 日期 2 0 1 2 0 51 0 作者简 介马献超 1 9 6 5 一 , 男, 河南长垣 人 , 高级讲 师 , 1 9 8 8年毕 业于焦作矿业学院 , 现任义煤集团公 司职教 中心副校长 。 冲击倾向性类别为 I 类 , 属强冲击倾 向。 2液压支护 系统设计依据 以防冲为 目的的液压支护系统需要依照煤层及 其顶底板情况、 危险区域划分 、 围岩支护体系设计以 及瓦斯含量 、 通风断面要求等多种参数实施综合性 设计。 2 . 1煤层情 况 2 5 1 1 0工作面开采的 2 - 1煤层系长焰煤 , 黑色, 煤岩成分以暗煤为主 , 沥青光泽, 夹亮煤条带 , 块状 构造 , 有 较 厚 矸 层 , 夹 矸 为 炭 质 、 砂 质 泥 岩 , 煤 层 厚 8 . 4~1 3 . 2 m, 煤层倾角 1 0 。~1 5 。 , 采深 9 9 3一l 0 4 2 m。上覆 岩层 为砾 岩 , 厚 1 9 0 m左 右 。 2 . 2顶底 板情 况 煤层直接顶为泥岩 , 灰黑色, 局部 为粉砂岩 , 块 状 , 具 隐水平层理 , 节理裂隙发育 , 厚 1 8 m; 基本顶 为砾 岩 , 厚 1 9 0 m, 具 有弱 冲击 倾 向。直接 底 为 泥质 砂岩, 具缓波状层理 , 夹含粉砂岩条带, 厚度 4 m。 2 . 3危 险区域 划分 2 5 1 1 0工作 面厚 泥岩 直 接 顶 和 巨厚 坚硬 基本 顶 的运动为冲击矿压 提供 了动载。随着工作面 的推 进 , 上方 2 0 m厚的泥岩层周期性垮落, 上部巨厚坚 硬 砂岩 形成离 层 空 间 。随 着 采 空 区面 积 的 加 大 , 砂 岩层原来 的应力状态发生改变, 工作 面应力水平 随 之变化。因此 , 该 区域矿 山压力显现具有一定规律 性与特殊性 , 即直接顶和基本顶的双重初次来压和 周期来压现象。综合分析相邻工作面采空区基本顶 岩层运动影响, 对 2 5 1 1 0工作 面潜在的高冲击危险 区 图 1 进 行 了划分 。 】 05 2 0 1 2 年第8 期 中州煤炭 总第2 0 0 期 1 工作面回采接近基本顶初次垮落。根据 2 5 区相邻 2 3 1 3 0工作面初次垮落步距 3 5 m , 分析预 测 该工 作 面基本 顶初 次垮 落步 距在 3 5~ 4 0 m, 该 区 域 前后 3 0 m 范围是 冲击地 压第 1 危 险区域 。 2 工 作 面 “ 开 采 面 面 积 ‘ 见 方 ”’ 阶 段 。 当 2 5 1 1 0工作 面推 进 到 1 7 0 m 左 右 , 推采 距 离 与 工作 面长度等长达到工作面“ 见方” 位置 , 该位置顶板运 动和破裂达到最大 , 释放 的震动能量也最大 , 此 区域 段前后 3 0 m为发生冲击地压 的第 2高危险区。 3 双工作 面 “ 见 方 ” 阶段 。当 2 5 l l 0工 作 面推 进 3 4 0 m 左右 , 工作 面 逐 渐进 入 到与 2 5 0 9 0工 作 面 采 空 区双 “ 见 方 ” 的 位 置 , 倾 向支 承 压 力 增 大 , 该 区 域基 本顶关 键 层垮 落 , 能 够 诱 发工 作 面 前 方巷 道 和 上 、 下端头附近区域发生冲击矿压。因此 , 该区域前 后 3 0 m范 围为工 作面 的第 3高危 险 区。 4 三工作 面 “ 见 方 ” 阶段 。当 2 5 1 1 0工作 面推 进 5 1 0 m 左 右 , 与 2 5 0 7 0 、 2 5 0 9 0工 作 面 采 空 区逐 渐 形成 “ 见方 ” 的位 置 , 此 区域采 空 区主关 键 层 巨厚 砂 岩有可能突然大面积垮落, 造成工作面支承压力分 布范围进一步增大 , 并且该 区域处在 F 断层附近 , 极 易诱发 冲击 地压 。 因此 , 该 区域前 后 5 0 m范 围为 工作 面 的第 4高危 险 区。 5 终采 线 附近 。当 2 5 1 1 0工 作 面 推进 到 接 近 终采 线附 近时 , 受 固定支撑 应力 的影 响 , 应 力集 中程 度较高, 极易形成应力叠加并诱发冲击地压 。因此 , 接近 终采线 5 0 m 范 围为第 5危 险区 。 6 超 前应 力 区。 回采 期 间 , 基 本 顶 周 期 来 压 期间, 超前工作面 3 0~1 0 0 m是 冲击地压易发生 区 域 , 定 义为 第 6危险 区 。 图 1 2 5 1 1 0工 作面 回采过程 中高冲击 危险区域划分示意 2 . 4支架 工作 阻力 测定 根据 Z 2 5 1 1 0工作面回采地质说明书 及统配 煤矿 顶板管理资料汇编 的定量采场顶板控制方 法 中直 接 顶 厚 度 确 定 方 法 , 直 接 顶 厚 度 确 定 为 1 8 m,接近 采高 2 . 6 m 的 7倍 。 由于放 顶煤工 作 面采 高较大 , 待顶板完 全压实后 , 弯曲下沉带将涉及底 1 0 6 板 , 正常 放 煤 时 , 工 作 面 最大 放 煤 高 度 为 7 . 6 m. 可 通过松动椭球体高度计算公式 H 2 . 2~ 2 . 6 h进 行计 算 。其 中 , h为工 作 面放顶煤 高度 。 由于 工作 面机 采 煤 厚 2 . 6 m, 放 7 . 6 m 的顶 煤 后 , 形 成最 大高 度 为 l 9 . 8 m 的松 动 椭球 体 , 松 动椭 球体高度以上的岩层暂时不发生离层和断裂。新型 防 冲巷道 液压支 护 系统支架 的顶 梁承 受载 荷为 其顶 部 1 8 m高的煤岩体质量 , 则控顶面积的平均载荷 P 5 7 7 . 8 k P a 。PH1 T 。其 中 , 日 为煤 层平 均 厚度 ; H 为 松动 椭 球 体高 度 ; T . 为煤 层 容 重 ; 为 直 接顶泥 岩 体 容 重 。支 架 最 大 支 护 面积 为 2 . 0 6 m , 故承受 的压 力为 1 1 9 0 k N 。 考 虑 到支架在 强 冲击倾 向煤层 环境 中的使用 状 态和在 巷道 中起 到 的重 要 作 用 等诸 多 因素 , 需 设 定 较高 的工作 阻力 以满足 支架 的使用 要求 。故 取新 型 防冲巷道 液 压支架 的工作 阻力 为 2 3 0 0 k N, 初 撑 力 为 1 9 7 8 k N。 2 . 5底 板 比压 根 据跃进 煤 矿 2 - 1煤 层 底 板 比压 测 定 数 据 , 结 合我国缓倾斜煤层工作 面底板分类成 果表 , 2 - 1煤 层底板容许单 向抗压强度 为 6 . 8 3 MP a , 2 - l煤层 底 板 比压 为 4 . 3 6 MP a 。 由此 , 支 架所 设计 对 底 板 的 平 均 比压 为 1 . 2 8 MP a 。 3 支架设计 3 . 1支 架结构 1 左、 右顶梁。每个顶梁由 2条主筋 、 若干条 横筋及上 、 下盖板组成变截面箱体结构 , 2条主筋内 设 计有柱 窝 , 与立柱 活柱 柱头形 成平 面接 触 。左 、 右 2个 顶 梁 之 间使 用 销 轴 铰接 , 铰接 点 上 方设 计 有 挤 压 箱体结 构 , 提高 承压能力 。 2 底 梁 。底 梁是 新 型 防 冲巷 道 液压 支 护 系统 的主要承载和连接部件之一。由 2条主筋板 、 若 干 条 横筋及 上 、 下 盖 板 组 焊 成变 截 面 箱 体结 构 。底 梁 通 过销轴 与两 边 的底 座 铰 接 , 并 在各 铰 接 处 下 方设 计有挤压箱体以防止巷道底鼓变形。 3 底 座 。底座 是 整个 新 型 防 冲巷 道液 压 支护 系统 的重 要 承载部 件 , 它 的主 要 作用 是 将 支 架 所 承 受的顶板压力传递到底板, 所以要求底座 的设计既 要 有足 够 的刚度 和强 度 , 又 要 满 足对 底 板 比压 的要 求 。底座 也 为箱体 结构 , 在 2条 主筋 间设 有柱 座 , 与 立柱 的缸底 呈面接 触 。两边 底座 分别 与底梁 通 过销 轴铰接 , 确保支架稳定且具有足够的承载能力。 2 0 1 2年第 8期 马献超 。 等 深部开采冲击地压煤层防冲支护系统研究 总第 2 0 0期 4 立 柱 。立柱 结构 形式 有 以下 几 种 双伸 缩 、 单 伸缩 和单伸 缩 配 合 机械 长 杆 。综 合 结 构 性 能 、 使 用 方便 性 以及 成 本等 因素 考 虑 , 新 型 防 冲巷 道 液 压 支护 系统 的立 柱选 用 单 伸缩 机 械 加 长杆 立柱 由缸 体 、 活 柱 、 加 长 杆 、 导 向套 及 各 种 密 封 件 组 成 。立 柱初 撑力是 指立 柱 大 腔在 泵 站 压 力下 的支 撑 能 力 。 初撑力的大小 , 直接影响支架的支护性能 , 合理地选 择 支架 的初撑 力 , 可 以减 缓顶板 的下 沉 , 对 顶板 控制 有利 。设 计 中支架 的立 柱缸径选 择 为 2 0 0 m m, 初撑 力为 9 8 9 k N。立柱 的工作 阻力是指在外 载荷作用 下 , 立 柱大缸 下腔 压 力增 大 到 超 过 控制 立 柱 的安全 阀调定 压力 时 , 安 全 阀泄液 , 使立 柱开 始卸 载 的压 力 值 。设 计 中立柱 选用 的工作 阻力 为 1 1 5 0 k N。 新 型 防冲巷 道液 压支 架如 图 2所 示 。 且A首U 回 图 2 新 型 防 冲 巷 道 液 压 支 架 示 意 位 mm 3 . 2 支 架参数 综 合 以上 设计 准 则 , 防冲巷 道 液 压支 护 系 统设 计 具体参 数见 表 1 。 表 1支 架设 计 技 术 参 数 名称 参数 名称 参数 支架高度/ m 3 . 35 . 2 操作方式 本架操作 平均支护强度/ MP a 1 . 3 5 5 立柱缸径/ mm 2 0 0 对底板平均 比压/ MP a 1 . 2 8 立柱柱径/ mm 1 8 5 泵站压力/ MP a 3 1 . 5 立柱行程/ mm 1 9 0 0 支架初撑力/ k N 1 9 7 8 立柱初撑力/ k N 9 8 9 支架工作 阻力/ k N 2 3 0 0 立柱工作阻力/ k N 1 1 5 0 注 初撑力为 P 3 1 . 5 MP a时 , 工作 阻力为 P3 6 . 6 2 MP a时。 3 . 3系统 组合 形式 运输 巷安全 出 口向外 3 0 0 1T I 范 围 内进 行超 前支 护加 固。在运 输巷 安全 出 口转 载机 处安 装 1 套 自移 式迈 步支 架 , 运输巷 转 载 机 过 桥 以外 2 6 0 m 段 采 用 锚 网索 加 3 6 U型 钢 O 形棚 及 新 型 防 冲巷 道 液 压 支 架 的三级 复合 支护 进行 超前 支护 。锚杆 间排 距均 为 6 0 0 m m, 加 十字 钢带 连接 ; 采 用 3排 锚 索 , 间排 距 均 为 1 5 0 0 m m; 3 6 U 型钢椭 圆形支 架 间 距 6 0 0 mm; 防 冲巷 道液压 支 架 三 柱 门式 支 架 棚 距 1 . 8 i n , 在 2 架 三 柱 门式 支架 中间沿走 向方 向架设 一框 式小 门式 支架 , 以增 加 支护强 度 和 防冲 巷道 液 压 支 架 的整 体 稳定 性 。 3 . 4支 架特 点 1 支架结 构件 材料 全 部采 用 Q 5 5 o高强 钢板 ; 销 轴 材 料全 部 采 用 3 0 C r Mn T i , 整体 结 构 强 度 高 , 稳 定 性好 。 2 设 置 了大 流 量 安 全 阀 , 以 便 在 冲 击 地 压 的 作 用 下立柱 能够 快速 、 及 时地泄 压 , 避 免损 坏 。 3 缸 底 、 柱 头未 采用 一 般 立柱 的球 头式 , 而 改 为平 头式 , 相应 顶梁 和底 座 的柱窝 均 锻 造 为平 底 柱 窝 。这 种 结 构 增 强 了 立 柱 和 结 构 件 的 抗 冲 击 能 力 。 4 考 虑到 支架使 用 中巷道 侧 向压 力 对 支架 的 冲击 影 响 , 设置 了弹性抗 侧压装 置 。 5 为 防止在冲击地压 作用 下造成 的巷道底 鼓 , 支架 下部底 座 处设有 防止 底鼓 的底梁 , 并 且与底 座 连接 处设有 防挤 压箱 体结 构 。 6 为便 于支 架 的运输 、 安装 与拆 卸 , 支架 的各 大部件 设计 成分 体结构 。 7 支架 的液 压部 件具 有 较 强 的 防锈 抗腐 蚀 能 力 。支 架 的工作 状态 决定 了支架 液压 缸体 和 阀件 等 易 出现锈蚀 现 象 。所 以 , 本 支架 的立 柱 及 阀件 均 采 取 了特殊 的 防腐 蚀处 理 , 并 配合 矿 用 WD - 4 0防锈 润 滑剂 进行 日常 维护 , 能够保 证支 架长 时 间处 于稳 定 、 可靠 工作 状态 ” 。 3 . 5支 架强度 校核 为确 保支架 在 冲击地 压发 生时 可 以提 供 足够 的 支撑力 , 支架的强度校核至关重要 ” 。支架各 结 构件 全 部 采 用 Q 5 5 o高 强 钢板 , 现对 顶 梁 和底 座 的危险 截面进 行 强度校 核 。 危 险截 面处 的 弯 曲应 力 6 ⋯ MY / I。其 中 , 为危 险截面所 受 弯 矩 ; Y为危 险截 面 上 距 中性 轴 最 远 距离 ; , 为危 险截 面对 中性轴 的惯性 矩 。 通 过 对支 架 使 用过 程 进行 受 力 分析 和 模 拟 , 确 定 了顶 梁 和底 座 的危 险截 面 , 并根 据 n 6 ⋯ / 6 进行 1 0 7 2 0 1 2年第 8 期 中州煤炭 总第2 0 0 期 了计 算 , 得 出 的安全 系数 n大 于顶 梁 和 底 座 的许 用 安全 系数 1 . 1 。 销轴 是 连接 支 架 结构 件 的衔 接 部 分 , 对整 个 支 架受载过程中能够稳定可靠完成支架功能具有重要 意义 。销轴 承载力是弯 曲应力 与剪切 应力的 合 应力 。因此 , 销 轴附 件承 载 校核 公 式 占 合[ / 3 P / A ] 。其 中, M 为销轴所受 弯矩 ; 为销轴抗弯模数 ; P为销轴所受剪力; 为销轴的截 面积 。 支架各连接处销轴 的材料均采用 3 0 C r Mn T i , 由 n 6 / 6 合计算 得 出 的安 全 系 数 n的 数 值 大 于 销 轴 的许 用 安全 系数 1 . 3 。 支架 与销 轴 的安全 系数能 够满 足 2 5 1 1 0工作 面 防冲的基本要求。 4 应 用 实例 2 0 1 1 年 3月 1日, 义煤 集 团跃进 煤 矿 2 5 1 1 0工 作 面发生 冲击 矿压 里 氏 3 . 4级 , E S G微 震监 测 能 量达 1 . 4 51 0 J 。该次 冲击地 压造 成该 工作 面 2 1 0 ~ 4 1 0 m 段巷道 变形 受损 严重 , 其 中 2 1 0~3 0 6 m 段 未安 门式 液 压 支 架 , O形棚 巷 高 由原 来 的 4 . 5 m 变 成 了 2 . 2~ 3 . 0 m, 上 腰 梁 鼓 出 底 板 , 中间 卡 缆 螺 栓 断开 , 中间搭 接 处开 口 ; 而在 2 5 1 1 0工 作 面超 前 2 0 0 m, 由于采用了该支护系统, 除上帮一侧 的十几根立 柱出现弯曲变形外 , 其他支柱、 顶梁 、 底座等结构件 均没有明显变形和损坏 , 有效避免了工伤事故 , 保障 了生 产安 全 图 3 。 图 3新型防冲巷道液压支护系统支 护实例 5 结 语 根 据义 煤集 团跃 进 煤 矿 2 5 1 1 0工 作 面情 况 , 基 于矿压 规律 , 针 对 性 地 设 计 了 1套 防 冲支 护 系 统 。 该 系统 顶梁 和 底 座 的设 计 安 全 系 数 为 1 . 1 , 销 轴 设 计 安全 系数 为 I . 3 。该 系 统 经受 住 了矿压 的检 验 , 1 08 保障了冲击地压发生过程中的安全 。 1 新 型 防 冲支 架 的应 用 确保 了 冲击地 压 危 险 区域巷道支护的安全 , 为冲击地压 危险区域煤炭 的 安 全开采 提供 了保 障 。 2 新型 防 冲 支 架 的使 用 , 使 得 矿 井 在 回采 期 间 的冲击 地 压 预 防取 得 了较 为 理 想 的安 全 经 济 效 益 , 自新 型防 冲支架 投入使 用后 , 成功 抵御 了多 次 冲 击地压伤人事故的发生。 参 考文献 [ 1 ] 钱鸣高 , 石平五. 矿山压力与岩层控制 [ M] . 徐 州 中国矿业大 学出版 社, 2 0 0 3 . 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