金向陽，劉金凱，華 輝，霍利杰，馬 東

（1.天地科技股份有限公司國內(nèi)成套裝備部，北京100013；2.同煤國電同忻煤礦有限公司，山西大同037000；3.赤峰市松山區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，內(nèi)蒙古赤峰024000）

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青年論壇

同忻煤礦大采高綜放開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架適用性研究

金向陽1，劉金凱1，華 輝1，霍利杰2，馬 東3

（1.天地科技股份有限公司國內(nèi)成套裝備部，北京100013；2.同煤國電同忻煤礦有限公司，山西大同037000；3.赤峰市松山區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，內(nèi)蒙古赤峰024000）

為了研究同忻煤礦在堅硬頂板條件下采用大采高綜放開采時礦壓顯現(xiàn)特點以及支架的適用性，以該礦8100工作面為實際工程背景，通過理論分析以及現(xiàn)場實際觀測得出：在采高增大及堅硬頂板的影響下，礦壓顯現(xiàn)劇烈，極易發(fā)生片幫冒頂?shù)仁鹿剩还ぷ髅骓敯宄尸F(xiàn)周期來壓現(xiàn)象，來壓步距16～25.6m不等，相差較大，來壓時存在立柱安全閥開啟現(xiàn)象；工作面中部支架工作阻力明顯大于兩端，支架基本上能滿足工作面支護需求，但存在前后柱受力不均勻現(xiàn)象，且支護效率有待提高。研究結(jié)果對相似條件下大采高綜放開采具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

大采高綜放；礦壓；支架；堅硬頂板

在我國現(xiàn)有煤炭儲量和產(chǎn)量中，厚煤層（厚度≥3.5m）均占45%左右，是我國實現(xiàn)高產(chǎn)高效開采的主力煤層，且由于煤層厚度大，對其開采可以有多種方法可供選擇［1］。我國厚煤層開采方法主要有分層開采、大采高一次采全高和放頂煤開采，其中大采高綜放開采結(jié)合了大采高綜采及放頂煤開采的優(yōu)勢，為礦井實現(xiàn)高產(chǎn)高效提供了新的途徑。但是大采高綜放開采一次采出厚度增加，頂板巖層活動過程的復(fù)雜性和不可預(yù)見性進一步增強，給采場礦山壓力顯現(xiàn)帶來質(zhì)的變化，礦壓顯現(xiàn)更為強烈，不但對礦壓理論的研究提出挑戰(zhàn)，而且對工作面支護設(shè)備提出更高的要求［2-6］，尤其是在堅硬頂板條件下這些問題就更為突出。為此針對同忻煤礦8100大采高綜放工作面在堅硬頂板條件下的礦壓特點進行研究，以便為同類地質(zhì)條件下大采高綜放開采提供借鑒和參考。

1　工程背景

同煤國電同忻煤礦屬于近水平煤層，采用大采高綜放開采。8100工作面開采3-5號煤層，開采深度為403～492m，煤層厚度較為穩(wěn)定，平均厚度為15.3m，煤層傾角2～3°，平均2°30′，煤質(zhì)較硬，硬度f=2～4。煤層直接底為炭粉巖及高嶺巖，老底為炭質(zhì)泥巖，直接頂為泥巖，厚度在0.8～6.5m之間，基本頂為一層厚度為8.3m左右的堅硬粗砂巖，硬度系數(shù)f=10.6，工作面傾斜長度193m，采高為3.9m，放煤厚度11.4m，采放比約為1∶2.9，工作面循環(huán)進度為0.8m，采用一刀一放多輪間隔順序放煤作業(yè)方式，工作面采用ZF15000/27.5/42型正四連桿低位放頂煤支架，ZF13000/27.5/42H型過渡支架和ZTZ20000/30/42型端頭支架3種支架，全部垮落法管理頂板。

2　理論分析

同忻煤礦8100工作面頂板為粗砂巖，巖性堅硬，不易垮落，根據(jù)堅硬頂板的力學(xué)性質(zhì)和破斷規(guī)律，利用頂板初次來壓和周期來壓所形成力學(xué)模型，對其來壓步距進行判斷。

2.1工作面初次來壓步距計算

隨著長壁工作面的開采，堅硬頂板巖層懸露時，前方由工作面煤體支撐，后方由邊界煤柱支撐，可將工作面頂板簡化為固支梁力學(xué)模型，如圖1所示［7］。

假設(shè)巖層載荷為均勻分布，由材料力學(xué)可知固支梁最大彎矩M發(fā)生在梁端部，初次來壓時頂板在煤壁端部發(fā)生破斷，當(dāng) σmax=R時，巖梁被拉裂，則其極限跨距為:

圖1　初次來壓力學(xué)模型

式中，L1為極限跨距；h為巖梁厚度；RT為抗拉強度；q為堅硬巖梁本身及上覆巖層傳遞的荷載。

2.2工作面周期來壓步距計算

工作面基本頂初次斷裂后，隨著回采工作面繼續(xù)推進，基本頂巖梁的后端處于懸露狀態(tài)，前端則由煤壁支撐形成懸壁梁結(jié)構(gòu)，在懸臂梁彎曲下沉后，受到已垮落巖石的支撐，當(dāng)懸伸長度很大時，發(fā)生有規(guī)律的周期性折斷，力學(xué)模型見圖2。

圖2　周期來壓力學(xué)模型

破斷塊體走向尺寸較整個開采范圍內(nèi)的頂板巖層尺寸相對較小，塊體上邊界承受的覆巖重量可視為均布載荷［8］。由材料力學(xué)知最大彎矩發(fā)生在煤壁端部，則當(dāng)巖層在該處拉應(yīng)力達(dá)到該處抗拉強度極限時，巖層將在該處拉裂。斷裂極限跨距為:

綜上可知，在均布載荷q一定的情況下，工作面初次來壓步距及周期來壓步距與基本頂巖層的厚度及抗拉強度有關(guān)。厚度越大，抗拉強度越高，則初次來壓步距及周期來壓步距越大。8100工作面基本頂為8.3m左右的堅硬粗砂巖，力學(xué)強度較高，容易形成大面積懸頂結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其初次來壓及周期來壓步距較大，一旦發(fā)生破斷，則破壞范圍廣，沖擊載荷效應(yīng)明顯；此外，工作面煤層一次采出高度增加會導(dǎo)致頂板巖層冒落高度成倍增加，如此大的冒落高度增大了波及到上覆巖層中厚層堅硬頂板的幾率，導(dǎo)致上覆巖層中的亞關(guān)鍵層甚至主關(guān)鍵層的斷裂，使得斷裂步距增大，同時斷裂前積聚的彈性能也變大，一旦斷裂，彈性能瞬間釋放，極易造成支架壓死和煤壁片幫等事故［8-10］。

3　礦壓觀測內(nèi)容及方法

3.1礦壓觀測內(nèi)容

為了準(zhǔn)確掌握同忻煤礦大采高綜放工作面礦壓顯現(xiàn)特點，分析支架與圍巖之間的相互作用關(guān)系，選擇合理的支架參數(shù)，對綜放工作面各支架的工作阻力變化情況進行觀測。

3.2觀測點布置

8100工作面長193m，支架數(shù)量118架，采用KJ216型綜采支架在線監(jiān)測系統(tǒng)對工作面支架的載荷及其工況連續(xù)不間斷地監(jiān)測，在8100工作面布置了11個測站，測站沿工作面均勻布置。測站位置分別為工作面8號，18號，28號，38號，48號，58號，68號，78號，88號，98號和108號液壓支架處。在未安設(shè)自動監(jiān)測系統(tǒng)的支架上安裝一組綜采壓力表，對前柱、后柱油缸的下腔的壓力進行監(jiān)控。測站布置如圖3所示。

圖3　測站布置

4　工作面礦壓顯現(xiàn)特征及支架適用性分析

4.1工作面礦壓特征分析

觀測時間從2010年9月16日到2010年10月14日，共推進119m（9月16日到9月21日未獲得液壓支架工作阻力數(shù)據(jù)，全部以0記錄），依據(jù)工作面工作阻力的監(jiān)測結(jié)果，繪制全過程液壓支架工作阻力趨勢曲線圖，如圖4所示，由此來研究分析工作面沿走向礦壓分布規(guī)律。

圖4　支架工作阻力變化曲線

由圖4可知，當(dāng)工作面推進到約23.8m時才開始采集到礦壓數(shù)據(jù)，當(dāng)工作面推進到37.4m時，出現(xiàn)第一次來壓。工作面頂板有周期來壓現(xiàn)象，來壓步距多在16～25.6m不等，來壓步距相差較大。來壓強度較大，立柱安全閥開啟，立柱下沉較明顯，運輸平巷斷裂下沉0.3～1.0m，局部頂煤垮落高度0.5～2.0m，片幫深度0.5～1.5m；支架底座沉入底煤0.1～0.3m。個別支架工作阻力超過額定阻力。此時，應(yīng)加強工作面液壓支架的管理，保證支護質(zhì)量，同時加快工作面的推進速度，避免周期壓力對工作面的長期影響，縮小周期來壓時間。

此外，對日常綜采工作面支架壓力采集表進行整理分析，總結(jié)了從9月22日到10月15日單個支柱支護阻力均值的變化情況，分析了支柱來壓時的支護阻力均值和其余時段未來壓時的阻力均值，繪制來壓時與未來壓時整個工作面支護阻力對比曲線圖，如圖5和圖6所示。

圖5　工作面來壓時與未來壓時支架前柱工作阻力對比

圖6　工作面來壓時與未來壓時支架后柱工作阻力對比

由圖5和圖6可知，來壓時整個工作面立柱支護阻力明顯大于未來壓時，極值點在工作面中部分布比較集中，工作面中部支護阻力大于兩端。未來壓期間極值點分布相對較離散，支護阻力值在較大范圍波動，中部支護阻力要明顯高于端部支護阻力。經(jīng)計算，來壓期間，前柱增載系數(shù)為1.13，后柱增載系數(shù)為1.27。

4.2支架運行特性分析

通過對支架監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理分析，得出了支架工作阻力區(qū)間分布頻率、支架前后柱平均工作阻力以及前后柱工作阻力的比值，分別選取工作面上、中、下部兩排支架數(shù)據(jù)為例，如表1所示。

由表1可知，8100工作面支架支護阻力分布頻率以區(qū)間24～30MPa所占比率最大。支架支護阻力在36MPa以上的所占比例并不大，其中，在工作面中部范圍內(nèi)，工作阻力大于36MPa的所占比率要大于兩端，說明工作面中部支架所承受壓力要大于兩端。在來壓期間，個別支架工作阻力超過額定阻力，也有極個別支架工作阻力值大于安全閥開啟值，導(dǎo)致安全閥開啟，給工作面安全帶來了隱患，在來壓期間必須加強工作面支護管理。支架工作阻力在0～6MPa區(qū)間的分布頻率占總體分布比率也較大，支架支護效率有待提高，其中，后柱支護阻力分布于區(qū)間0～6MPa比率要明顯大于前柱。

表1　支架支護阻力統(tǒng)計分析

說明前后柱承受工作阻力不均勻，前后柱載荷平均比值為1.35。工作面全體支架平均支護阻力為17.81MPa，占額定工作阻力的48.33%，表明支架是在較富裕工作阻力下運行的?？傮w上，支架運行狀態(tài)基本能滿足工作面的支護需求，支架工作狀態(tài)良好，工作阻力可滿足工作面實際開采的要求。

5　結(jié) 論

（1）厚層堅硬頂板以及采高增大雙重因素導(dǎo)致同忻煤礦大采高綜放工作面來壓強度大，容易發(fā)生支架壓死、片幫冒頂?shù)仁鹿?，需加強防范?/p>

（2）工作面頂板有周期來壓現(xiàn)象，來壓步距多在16～25.6m不等，來壓步距相差較大，在來壓期間，個別支架工作阻力超過額定阻力。來壓時，中部支架的工作阻力明顯大于兩端支架。

（3）工作面支架運行狀態(tài)基本上能滿足工作面的支護需求，但存在前后柱受力不均衡現(xiàn)象，支架支護效率有待提高。

［1］屠世浩，竇鳳金，萬志軍，等.淺埋房柱式采空區(qū)下近距離煤層綜采頂板控制技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報，2011，36（3）: 365-369.

［2］鞠金峰，許家林.傾向煤柱邊界超前失穩(wěn)對工作面出煤柱動載礦壓的影響［J］.煤炭學(xué)報，2012，37（7）:1080-1087.

［3］楊敬軒，劉長友，楊 宇，等.淺埋近距離煤層房柱采空區(qū)下頂板承載及房柱尺寸［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，42（2）:161-167.

［4］孟 達(dá)，王家臣，王進學(xué).房柱式開采上覆巖層破壞與垮落機理［J］.煤炭學(xué)報，2007，32（6）:577-580.

［5］許家林，朱衛(wèi)兵，王曉振，等.溝谷地形對淺埋煤層開采礦壓顯現(xiàn)的影響機理［J］.煤炭學(xué)報，2012，37（2）:180-184.

［6］陳蘇社.綜采工作面過上層煤集中煤柱動載礦壓控制技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42（6）:140-143.

［7］李浩蕩，楊漢宏，張 彬，等.淺埋房式采空區(qū)集中煤柱下綜采動載控制技術(shù)研究［J］.煤炭學(xué)報，2015，40（S1）:6-11.

［8］肖劍儒，李少剛，張 彬，等.淺埋深煤層房采區(qū)下綜采工作面動壓控制技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42（10）: 20-23.

［9］周海豐.綜采工作面過上覆集中煤柱壓架機理分析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42（7）:120-123，128.

［10］王秀元.基于微震監(jiān)測的淺埋工作面動壓預(yù)警技術(shù)研究［J］.華北科技學(xué)院學(xué)報，2014，11（9）:120-15.

［11］孔令海，王永仁，李少剛.房柱采空區(qū)下回采工作面覆巖運動規(guī)律研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2015，43（5）:26-29.

［責(zé)任編輯：李 青］

［參考文獻(xiàn)］

［1］王家臣.厚煤層開采理論與技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2009.

［2］李澤荃，張峰瑋，白玉奇，等.大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究［J］.煤炭工程，2012，44（7）:50-53.

［3］趙國棟.大采高長工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架適應(yīng)性研究［J］.煤炭工程，2013，45（1）:83-85.

［4］杜 斌.大采高綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究［J］.山西煤炭，2013，33（3）:43-44.

［5］朱雁輝.堅硬頂板大采高采場圍巖控制技術(shù)研究［D］.太原:太原理工大學(xué)，2015.

［6］朱德仁，錢鳴高，徐林生.堅硬頂板來壓控制的探討［J］.煤炭學(xué)報，1991，16（2）:11-20.

［7］錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2003.

［8］于 斌，劉長友，楊敬軒，等.堅硬厚層頂板的破斷失穩(wěn)及其控制研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013（3）:342-348.

［9］閆少宏，尹希文，許紅杰，等.大采高綜采頂板短懸臂梁-鉸接巖梁結(jié)構(gòu)與支架工作阻力的確定［J］.煤炭學(xué)報，2011，36（11）:1816-1820.

［10］張西斌.大采高綜放工作面強礦壓顯現(xiàn)機理及防治技術(shù)［J］.煤礦安全，2013，44（6）:208-210.

［責(zé)任編輯：潘俊鋒］

Support Applicability and Mine Pressure Rule of Fully Mechanized Top Coal Caving Face with Large Mining Height in Tongxin Coal Mine

TD355.41

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1006-6225（2016）04-0147-03

2015-11-18

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.037

金向陽（1980-），男，吉林榆樹人，工程碩士，高級工程師，主要從事礦井設(shè)計、綜采工作面設(shè)備選型及配套工作。

［引用格式］金向陽，劉金凱，華 輝，等.同忻煤礦大采高綜放開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架適用性研究［J］.煤礦開采，2016，21（4）：147-149，122.