极软弱煤层大采高综采工作面矿压显现规律及其控制_薄煤层轻型综采工作面支架型号

　　摘 要:长平公司3#煤层极软,采用大采高综采技术后煤壁片帮严重,为掌握长平公司首个大采高综采工作面矿压显现规律,通过现场实测研究了工作面老顶来压基本情况,煤壁片帮影响因素及超前支撑应力分布规律,得出了直接顶初次垮落、老顶的初次来压和周期来压步距,来压时的影响范围及其控制措施和超前支撑应力影响范围。针对来压时煤壁片帮严重,提出了控制措施,为安全生产提供了保障,同时也为以后大采高工作面矿压管理提供了科学依据。
　　关键词:大采高 矿压规律 软弱煤层 片帮
　　中图分类号:TD323 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)06(c)-0129-02
　　大采高综采技术具有工作面产量和效率高,搬迁快,搬迁次数少等优点,因此它是煤炭企业高产高效工作面未来发展的一个趋势。但由于采高加大后,垮落带高度随采高的增大而增加,因此,大采高综采工作面老顶来压更为剧烈,局部冒顶和煤壁片帮更为严重[1]。长平公司4303综采工作面是该公司首个大采高综采工作面,主采3#煤层,煤层单轴抗压强度4.81MPa,煤层内部节理裂隙非常发育,因此,工作面回采过程中矿压显现明显,尤其是煤壁片帮严重。为深入掌握长平公司特殊地质条件下大采高综采工作面矿压显现规律,以指导和管理后续大采高综采工作面正常回采,进行了4303大采高综采工作面的矿压显现规律实测。
　　1 工作面概况
　　长平公司4303大采高综采工作面主采3#煤层,煤层倾角5°～16°,平均10°,煤层平均厚度5.86m,煤层节理裂隙非常发育,煤层普适系数f=0.48。直接顶为砂质泥岩,厚度平均为4.85m,黑色,局部有裂隙、松软;老顶为细粒砂岩,厚度为平均为11.23m,灰白色,具有波状层理;直接底为砂质泥岩,厚度平均为7.48m,灰黑色,中间夹有砂岩;老底为细粒砂岩,平均厚度2.62m,灰色,质地坚硬。
　　工作面沿煤层走向推进,工作面长度225m,采用四巷布置方式:四盘曲北翼泄水巷供进风、排水用,4205巷供进风、运煤、供水、排水用,4206巷供进风、供电、供液、供水、运料、排水用,4209巷供回风、排水用。
　　工作面采用德国艾柯夫公司的SL500双滚筒采煤机、SGZ1000/1710刮板机、SZZ1200/375转载机、DSJ1400/250/3×400皮带机、PCM375型锤式破碎机,从工作面机头到机尾分别布置ZYT12000/28/62型排头架4架,ZYGT12000/28/62型过渡架2架,ZY12000/28/62型中间架119架,ZYGT12000/28/62型过渡架2架,ZYT12000/28/62型排尾架3架,共计130架。
　　2 观测方案
　　2.1 工作面矿压观测方案
　　采用液压支架压力记录仪(KBJ-60Ⅲ矿用数字压力计分机),在工作面设立上、中、下三个测区,9条观测线,上测区11#、12#、13#支架(4205巷侧),中测区64#、65#、66#支架,下测区117#、118#、119#支架(4206巷侧),每个支架安设一台压力记录仪,实时监测支架左、右立柱的工作载荷;工作面在回采中,为了充分观测支架阻力状态,分别在30#、47#、83#、100#支架增设支架阻力仪。数据采集使用红外线矿用数据采集仪,观测频率:每天采集一次数据。
　　2.2 工作面超前支撑压力观测方案
　　超前III4303工作面切眼70mm,在4206巷、4209两侧向煤层中打直径为48m,深度为2m、5m、8m、15m的钻孔;距离工作面切眼230m,在4206、4209两侧打直径为48m,深度为2m、5m、8m、15m的钻孔,每个巷道16个钻孔,三条巷道总计48个钻孔,钻孔高度距底板均为1.0m,钻孔间距1m,每个孔内安装钻一台孔应力计。后来根据实际情况,在超前工作面230m的4206巷道西侧与4209东侧安装20m、25m的应力计各两根。
　　3 工作面矿压显现规律及其控制技术
　　3.1 工作面来压规律
　　3.1.1 直接顶初次垮落
　　由于4303工作面机头、机尾推进速度的差异性,直接顶初次垮落呈现阶段性。2009年8月23日工作面机尾处直接顶开始垮落,垮落步距22.2m,之后垮落范围向中部发展。8月30日,直接顶垮落范围波及整个工作面。由于回采期间机尾推进速度较机头快,工作面直接顶的开始垮落时间相差5d,持续时间相差32h,但垮落步距基本稳定在18m～22m之间,平均垮落步距为20m。
　　3.1.2 老顶初次来压
　　工作面老顶初次来压步距范围为32m～48m,平均40m。初次来压影响范围在8m左右,持续时间约48h。老顶初次来压开始于工作面中部,之后向工作面下部、上部发展。来压期间支架平均工作阻力为9724kN。
　　3.1.3周期来压
　　工作面周期来压受工作面采高、推进速度、工作面宽度、顶板条件以及上覆基岩厚度等条件的影响,随着条件改变,周期来压步距也相应发生改变。根据长平矿实际开采条件,工作面推进到距开切眼200m范围内,工作面上部周期来压11次,中部来压12次,下部来压13次,其中工作面上部、下部来压不明显,工作面中部来压比较明显。工作面来压步距范围为18m～25m,平均来压步距22m。来压时工作面支架平均工作阻力为8432kN,非来压期间为5942kN,动载系数为1.35。
　　3.2 工作面片帮冒顶控制措施
　　长平公司4303大采高综采工作面3#煤层由于较软,加之节理裂隙发育,顶板来压时产生严重的片帮现象。其中上部(1#～40#支架)煤壁片帮范围占20%左右,对正常回采影响较小;中部(41#～80#支架)片帮严重,主要表现为在采煤机割煤时前滚筒5m～10m范围内大块煤体从煤壁沿节理裂隙面滑落下来,大块的煤体架空在溜槽上,迫使采煤机往返运行破碎和推移大块的煤,影响正常生产;下部(80#～119#架)煤壁片帮最为严重,贯穿于整个回采期间,最大的煤块能达30m3(5m×3m×2m),沿裂隙面直接滑落下来,严重影响生产。
　　为防止大块片帮影响正常生产,采取如下措施:(1)保证足够的支架初撑力。尤其来压期间,升架后必须使支架初撑力达到合格值。初撑力不足导致顶板下沉量增加,煤体承载偏大,支撑力向煤壁深部发展造成煤体塑性区扩大,煤壁片帮严重。(2)及时打开护帮板。当采煤机割煤过后及时打开一级和二级互帮。(3)对于片帮严重导致支架前方悬顶漏冒时,应采用注浆方式加固煤体和破碎的顶板。(4)适当提高工作面推进速度。
　　4 工作面超前支撑压力规律
　　如图1所示,距离4206巷道表面2m处钻孔应力计观测数据曲线图,可以看出回采工作面推进距测点57m时,应力计压力从11MPa开始上升,推进到距测点43m时升高至11.2MPa后开始下降,距离33.9m时,应力增长速度变缓,基本在11.4MPa～11.6MPa之间波动,一直持续到推进至距离测站20m左右时开始下降,至13m之后急剧下降,至4m范围时下降到9MPa,之后再次急剧下降,最后稳定在2.92MPa。
　　从上述实测结果可以看出工作面前方支撑应力影响范围在超前工作面57m,此处煤体开始受采动应力的影响;超前工作面13m～34m是弹塑性应力增强区间;超前工作面小于13m的范围内,煤体支撑能力急剧下降,此时煤体已经进入塑性破坏阶段,煤体靠残余强度支撑,随着工作面的继续推进,煤体最终残余强度为2.92MPa。
　　5 结语
　　通过对长平公司4303大采高综采工作面矿压显现想象的现场实测,可以得出如下结论。
　　(1)直接顶的初次直接顶的垮落步距基本稳定在18m～22m之间,平均垮落步距为20m;老顶初次来压范围在32m～48m之间,平均为40m;老顶周期来压步距平均为22m,来压期间动载系数在1.35左右。
　　(2)由于煤层较软,加之节理裂隙异常发育,工作面来压期间煤壁片帮严重,应保证足够的支架初撑力,必要时在煤体内注浆加固。
　　(3)工作面超前支撑压力影响范围在57m内,支撑压力峰值出现在工作面前方20m～25m范围内。
　　参考文献
　　[1] 钱鸣高.矿山压力与岩层控制[M].中国矿业大学出版社,2003(10).
　　[2] 徐永圻.煤矿开采学[M].中国矿业大学出版社,2006.