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        長度變化對綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律影響研究

        2014-11-26 12:12:22王慶雄
        中國煤炭 2014年1期
        關(guān)鍵詞:老頂結(jié)構(gòu)特征礦壓

        彭 濤 王慶雄

        (中國神華神東煤炭集團公司哈拉溝煤礦,陜西省神木縣,719315)

        神東煤炭集團哈拉溝煤礦開展了12上101綜采工作面450m超長綜采面開采試驗。已有研究結(jié)果表明,超長工作面礦壓顯現(xiàn)強度大于相同采高的一般長度工作面,即超長工作面礦壓顯現(xiàn)相對強烈。本文通過對比168m和450m工作面初次來壓和周期來壓特征,結(jié)合覆巖結(jié)構(gòu)特征因素,分析長度變化對綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響。

        1 工作面開采條件

        12上101工作面位于神東煤炭集團哈拉溝煤礦井田12煤層一盤區(qū),為12煤層首采工作面。該工作面為刀把子面,其中12上101-1工作面長168.6m,推進長度246.7m;12上101-2工作面長450m,推進長度857.5m。煤層平均厚度2.11m,設(shè)計采高為2.0m,煤層賦存穩(wěn)定,煤層傾角為1°~3°。老頂為細(xì)砂巖,平均厚度2.98m;直接頂為粉砂巖,平均厚度3.79m。12上101-1工作面安設(shè)101架KOPEXS二柱掩護式液壓支架進行頂板支護;12上101-2工作面安設(shè)238架KOPEXS二柱掩護式液壓支架,另外還有平頂山煤機廠生產(chǎn)的24架 ZY9200/12.3/22.3D 液壓支架。工作面巷道布置情況如圖1所示。

        圖1 12上101工作面巷道布置圖

        2 不同長度綜采工作面礦壓規(guī)律對比

        12上101工作面開采前后期工作面長度發(fā)生了較大變化,對礦壓產(chǎn)生一定的影響。因此,需要對12上101-1和12上101-2兩個不同長度工作面 (以下用168m和450m工作面代替表示12上101-1和12上101-2工作面)礦壓規(guī)律進行對比分析研究以指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)實踐。為了便于對比分析不同長度工作面礦壓規(guī)律,選取工作面中部支架礦壓特征數(shù)據(jù)進行分析,以消除邊界因素對礦壓特征的影響。

        2.1 老頂初次來壓規(guī)律對比

        168m工作面推進至距離開切眼39m位置時,老頂初次來壓,工作面30?!?0#支架普遍來壓,最大支架工作阻力為56.7MPa,平均工作阻力為32.9MPa,達(dá)到35.0MPa以上的占34%。工作面局部片幫明顯,最大片幫厚度達(dá)0.5m。450m工作面推進至距離12上101-2工作面開切眼41 m位置時,工作面機尾段區(qū)域老頂垮落,180?!?30#支架工作阻力較大,達(dá)到40.0~58.5MPa,220#支架最大工作阻力達(dá)到58.5MPa。工作面存在明顯的片幫和漏矸現(xiàn)象,并在145?!?80#支架區(qū)域出現(xiàn)淋水。此次來壓相對劇烈,來壓區(qū)間主要靠近機尾段,工作面中部100#~160#支架來壓不明顯。當(dāng)繼續(xù)推進6m后,工作面60?!?60#支架區(qū)域有來壓現(xiàn)象,來壓期間支架工作阻力最大為46.5MPa, 平 均 31.6MPa。168m 工 作 面 和450m工作面初次來壓期間礦壓顯現(xiàn)特征見表1。

        由表1可知,老頂初次來壓時,450m超長工作面對應(yīng)的老頂初次來壓步距、來壓期間支架工作阻力及動載系數(shù)均大于168m工作面,且450m工作面對應(yīng)老頂初次來壓步距、來壓支架工作阻力及動載系數(shù)變化幅度明顯大于168m工作面。

        表1 不同長度工作面老頂初次來壓期間礦壓特征對比表

        2.2 周期來壓規(guī)律對比

        168m工作面周期來壓期間,工作面40#支架以后支架工作阻力普遍大于機頭段區(qū)域,來壓期間片幫不明顯,只有局部出現(xiàn)片幫。雖然工作面來壓相對不是很強烈,但是由于頂板比較破碎,伴隨來壓出現(xiàn)頂板離層,不易護頂,同時出現(xiàn)淋水,來壓后采空區(qū)反水,影響正常生產(chǎn)。工作面周期來壓期間礦壓顯現(xiàn)特征見表2。

        通過礦壓實測表明,450m工作面存在大小周期來壓現(xiàn)象。兩次小周期來壓后間隔24m左右出現(xiàn)大周期來壓。當(dāng)工作面小周期來壓時,來壓持續(xù)長度相對較短,來壓強度不大,安全閥開啟不多,來壓范圍主要分布在中部70?!?50#支架區(qū)域;當(dāng)工作面大周期來壓時,來壓持續(xù)長度較大,來壓強度大、范圍廣,主要集中在50#~80#、110#~140#和170?!?30#支架區(qū)域。來壓期間安全閥開啟率較高,支架明顯下沉,前梁挑頂效果差,支架低頭,護頂困難,煤壁出現(xiàn)片幫,煤壁酥軟,頂板穩(wěn)定差。工作面周期來壓期間礦壓顯現(xiàn)特征見表2。

        由表2可知,周期來壓期間,450m超長工作面對應(yīng)的來壓步距小于168m工作面,450m工作面對應(yīng)來壓期間支架循環(huán)末阻力、動載系數(shù)和來壓持續(xù)長度均大于168m工作面,即450m超長工作面周期來壓強度大于168m工作面。

        表2 不同長度工作面周期來壓期間礦壓特征對比表

        3 不同長度綜采工作面礦壓顯現(xiàn)差異分析

        分析表明,450m超長工作面對應(yīng)初次來壓和周期來壓強度大于168m工作面。結(jié)合工作面覆巖結(jié)構(gòu)特征和工作面長度因素,分析不同長度工作面礦壓特征差異產(chǎn)生的原因。

        表3 Q14鉆孔覆巖關(guān)鍵層判別

        表4 H65鉆孔覆巖關(guān)鍵層判別

        168m工作面內(nèi)Q14鉆孔和450m工作面內(nèi)H65鉆孔對應(yīng)覆巖結(jié)構(gòu)特征見表3和表4。

        3.1 老頂初次來壓特征差異分析

        結(jié)合普氏平衡拱理論分析,老頂初次來壓時,由于老頂在工作面走向方向上首次發(fā)生破斷,老頂上覆巖層并未充分垮落,工作面上方平衡拱大小主要取決于老頂覆巖結(jié)構(gòu)特征,即只考慮覆巖結(jié)構(gòu)特征變化對工作面來壓顯現(xiàn)強度的影響。

        3.1.1 老頂初次來壓步距計算

        由于12上101工作面是首采工作面,老頂未受到破壞,比較完整,故計算老頂來壓步距時可將老頂看作固定梁,來壓步距采用下式計算:

        式中:L0——老頂初次來壓步距,m;

        H—— 老頂?shù)暮穸龋琺;

        σ拉——老頂抗拉強度,MPa;

        q—— 單位長度老頂?shù)妮d荷,kN。

        結(jié)合表3和表4可知,168m工作面內(nèi)老頂?shù)暮穸葹?.2m,抗拉強度為3.95MPa,容重為2.3×103kg/m3,單位長度老頂?shù)妮d荷為3.3×105kN。450m工作面內(nèi)老頂?shù)暮穸葹?.84m,抗拉強度為4.84MPa,容重為2.3×103kg/m3,單位長度老頂?shù)妮d荷為3.56×105kN。

        將兩個工作面對應(yīng)的各參數(shù)值代入式 (1),得出168m工作面老頂初次來壓步距為40.12m,450m工作面老頂初次來壓步距為46.11m。顯然,450m工作面對應(yīng)老頂初次來壓步距大于168m工作面。

        3.1.2 老頂初次來壓計算

        老頂初次來壓時,控制頂板的關(guān)鍵在于當(dāng)靠煤壁處老頂斷裂線剛露出煤壁時,支架的工作阻力能支撐住垮落帶巖層的重量。這時需要的支架工作阻力按下式計算:

        式中

        :P——支架工作阻力,kN;

        Llxc——老頂初次來壓步距,m,根據(jù)實測情況取值;

        La——每架支架所控制的工作面長度,取1.75m/架;

        γ——垮落帶直接頂巖層平均體積力,取23000kN/m3;

        h——垮落帶直接頂厚度,168m工作面對應(yīng)值為6.13m,450m工作面對應(yīng)值為5.8m;

        LZ′——直接頂巖梁長度,取6.14m;

        n——垮落帶最上分層數(shù),取3;

        γli——垮落帶中第i分層老頂及其附加巖層的平均體積力,取23000kN/m3;

        hli——垮落帶中第i分層老頂及其附加巖層的厚度,168m工作面對應(yīng)值為8.2m,450m工作面對應(yīng)值為8.84m;

        α——煤層傾角,取3°;

        K——安全系數(shù),取1.1;

        ——考慮立柱不垂直頂梁以及掩護梁上有載荷的系數(shù),支撐式為100%;支掩式為85%~90%;短頂梁掩護式為60%。

        將168m工作面和450m工作面具體支護參數(shù)值代入式 (2)計算得出168m工作面初次來壓期間支護所需工作阻力為8180kN,450m工作面初次來壓期間支護所需工作阻力為9159kN。說明初次來壓期間,450m超長工作面來壓強度更加劇烈。同時,由于非來壓期間支架工作阻力基本一致,而來壓期間450m工作面來壓強度更大,所以對應(yīng)動載系數(shù)也更大。

        3.2 老頂周期來壓特征差異分析

        根據(jù)已有研究表明,工作面長度增加一定程度上會導(dǎo)致上覆巖層垮落帶高度增加,即周期來壓期間覆巖結(jié)構(gòu)特征和工作面長度因素都會影響來壓顯現(xiàn)強度。

        3.2.1 老頂周期來壓步距計算

        先分析覆巖結(jié)構(gòu)特征因素對來壓顯現(xiàn)強度的影響。老頂周期來壓期間,來壓步距計算:

        式 (3)中參數(shù)值同式 (1),將各參數(shù)值代入式 (3),得出168m工作面老頂周期來壓步距為16.38m,450m工作面老頂周期來壓步距為18.82m。顯然,450m工作面對應(yīng)老頂周期來壓步距大于168m工作面。

        再分析工作面長度因素對老頂周期來壓特征差異的影響。從覆巖結(jié)構(gòu)特征分析,450m工作面周期來壓步距大于168m工作面,但是對于超長工作面,由于工作面長度增加,導(dǎo)致推進速度的下降,使得老頂有充足的時間進行垮落,從而導(dǎo)致周期來壓步距的減小。礦壓實測結(jié)果表明,450m工作面周期來壓步距小于168m工作面,礦壓實測結(jié)果否定了前面計算式算出的結(jié)果,因此,長度因素對周期來壓步距影響明顯大于覆巖結(jié)構(gòu)特征的影響 (理論計算結(jié)果和實測結(jié)果對比是為了說明長度因素對周期來壓步距的影響大于覆巖結(jié)構(gòu)特征的影響)。

        3.2.2 老頂周期來壓計算

        周期來壓期間支架所需的工作阻力可根據(jù)式(2)進行計算,非來壓期間的支架載荷可以根據(jù)覆巖結(jié)構(gòu)進行計算。分析表明,450m工作面來壓強度大于168m工作面。

        按照普式平衡拱理論在一定跨度空間之上 (工作面長度)的頂板巖層將會發(fā)生拱形冒落,其高度既與跨度有關(guān),又與巖石的普式硬度指數(shù)有關(guān),即:

        式中:h——頂板巖層冒落高度,m;

        B——工作面長度,m;

        f——頂板巖石的普式硬度指數(shù),其值約為強度的1/10。

        由式 (4)可知,450m工作面頂板冒落高度明顯大于168m工作面,即支護所需支架工作阻力大于168m工作面。同時,工作面長度越長,壓力拱越大,導(dǎo)致周期來壓期間支架工作阻力越大,即礦壓顯現(xiàn)強度越大。

        4 結(jié)論

        (1)老頂初次來壓時,450m超長工作面對應(yīng)的老頂初次來壓步距、來壓期間支架工作阻力及動載系數(shù)均大于168m工作面。

        (2)周期來壓期間,450m超長工作面對應(yīng)的來壓步距小于168m工作面, 450m工作面對應(yīng)來壓期間支架循環(huán)末阻力、動載系數(shù)和來壓持續(xù)長度均大于168 m工作面,即450m超長工作面周期來壓強度大于168m工作面。

        (3)對不同長度綜采面礦壓顯現(xiàn)差異進行分析表明,老頂初次來壓時,只考慮覆巖結(jié)構(gòu)特征變化對工作面來壓顯現(xiàn)強度的影響;老頂周期來壓時,覆巖結(jié)構(gòu)特征和工作面長度因素都會影響來壓顯現(xiàn)強度,且長度因素對周期來壓步距影響明顯大于覆巖結(jié)構(gòu)特征的影響。

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