李宗霖(山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

大采高綜采末采礦壓規(guī)律實(shí)測(cè)研究

李宗霖
(山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

以某礦3303工作面開采為背景，基于礦壓實(shí)測(cè)及理論研究、工作面頂板控制經(jīng)驗(yàn)，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析相結(jié)合的方法，充分研究工作面末采階段礦壓規(guī)律，為工作面安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)?；趯?shí)測(cè)礦壓規(guī)律，調(diào)整3303面的推進(jìn)速度，使工作面貫通回撤通道時(shí)，避開頂板來壓，實(shí)現(xiàn)工作面的順利貫通。

末采；礦壓規(guī)律；推進(jìn)速度；帶壓推進(jìn)

末采礦壓規(guī)律不僅可以確定合理的工作面終采線位置，提高煤炭資源采出率，同時(shí)對(duì)綜采末采安全高效生產(chǎn)也具有重要意義。研究表明，末采礦壓規(guī)律與工作面正?；夭上啾扔衅涮厥庑訹1]，不能將正?；夭呻A段的礦壓規(guī)律用于指導(dǎo)工作面末采期間的安全生產(chǎn)。

工作面頂板結(jié)構(gòu)模型是回采工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律的直觀量化表現(xiàn)[2]. 頂板相對(duì)穩(wěn)定步距是等壓開采技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵判別指標(biāo)。而工作面支架工作阻力對(duì)頂板厚度的確定，工作面推進(jìn)速度與頂板來壓步距的關(guān)系對(duì)指導(dǎo)工作面帶壓推進(jìn)起到重要的作用[3]. 研究揭示末采礦壓規(guī)律對(duì)指導(dǎo)工作面安全高效生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)安全快速搬家倒面具有現(xiàn)實(shí)意義。

因此，本文結(jié)合某礦3303工作面的末采，綜合采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論分析開展大采高綜采末采礦壓規(guī)律的研究，從而與已有的研究成果形成一個(gè)整體，為礦區(qū)其他工作面的開采提供理論基礎(chǔ)和借鑒。

1 工作面末采期頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)測(cè)研究

1.1工程背景

某礦3303工作面長度300.58 m，末采期采高平均4.0 m. 工作面頂板分層較多，有一層較厚的細(xì)粒砂巖，見表1. 工作面推進(jìn)至預(yù)判的停采等壓位置(距主回撤通道6.6 m)時(shí)，工作面頂板正處于來壓階段。

表1 3303工作面頂板巖性表

1.2工作面礦壓顯現(xiàn)

工作面末采期的宏觀礦壓顯現(xiàn)對(duì)于指導(dǎo)工作面等壓開采和工作面與回撤通道的貫通具有重要意義。宏觀礦壓顯現(xiàn)主要由支架工作阻力和頂板運(yùn)動(dòng)步距來反映。3303工作面選擇32#、34#、88#、89#、136#和137#支架作為測(cè)線，進(jìn)行支架工作阻力的監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)。

1.2.1支架工作阻力

實(shí)用礦山壓力理論中，支架工作阻力對(duì)估算直接頂和基本頂厚度起到關(guān)鍵性作用。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，統(tǒng)計(jì)了3303工作面6條測(cè)線處支架來壓前后的均值工作阻力，見表2，表3.

表2 頂板來壓前支架壓力表

表3 頂板來壓時(shí)支架壓力表

1.2.2工作面推進(jìn)速度與頂板來壓步距的關(guān)系

1) 每天割煤18～19刀，日進(jìn)尺14.4～15.2 m時(shí)，中部支架來壓步距平均值13.4～16.2 m，平均14.5 m.

2) 每天割煤14～16刀，日進(jìn)尺11.2～12.8 m時(shí)，中部支架來壓步距為8～15.2 m，平均11.2 m，持續(xù)步距4～6.4 m，平均5.2 m.

3) 每天割煤8～10刀，日進(jìn)尺6.4～8 m時(shí)，中部支架來壓步距7.2～9.6 m，平均8.4 m，持續(xù)步距2.4～4 m，平均3.2 m.

4) 上、下部支架滯后中部支架1.5～2.4 m來壓。

1.3工作面末采階段頂板結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建

1.3.1直接頂運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算

1) 直接頂巖層斷裂步距。

直接頂巖層斷裂步距按懸臂梁公式計(jì)算LOZ，見式(1)：

(1)

式中：

LOZ—直接頂單巖層初次斷裂步距，m；

MZ—直接頂單巖層厚度，m；

[σ]—巖層抗拉強(qiáng)度，MPa；

γ—巖層容重，kN/m3.

2) 懸頂系數(shù)。

懸頂系數(shù)fZ計(jì)算公式見式(2)和式(3)：

(2)

(3)

式中：

S0—支架合力作用點(diǎn)距煤壁距離，m，對(duì)于綜采支架，一般S0=0.5LK，則nZ=0.5. 因此：

(4)

3303工作面支架最小控頂距LKmin=5.14 m，最大控頂距LKmax=5.94 m，則平均控頂距LK=(LKmin+LKmax)/2=5.54 m.

假定工作面直接頂由頂板①～④ 4個(gè)分層組成，各分層巖層的懸頂距和懸頂系數(shù)見表4.

表4 3303工作面直接頂巖層懸頂系數(shù)計(jì)算表

3) 工作面直接頂厚度[4].

假定直接頂組成中①～③巖層為其組成部分，根據(jù)工作面來壓前頂板壓力計(jì)算直接頂厚度，將①～③3個(gè)巖層代入式(5)：

PT1=1.05(∑MZi·γZi·fZi)

(5)

式中：

PT1—來壓前支架支護(hù)強(qiáng)度，MPa；

MZ—分層直接頂厚度，m；

γZi—分層直接頂容重，kN/m3；

fZi—分層直接頂懸頂系數(shù)。

當(dāng)i=1時(shí)，計(jì)算得到PT1=0.03 MPa；i=3時(shí)，PT1=0.47 MPa；i=4時(shí)，PT1=7.72 MPa，計(jì)算結(jié)果見表4.

對(duì)比直接頂不同巖層組合時(shí)工作面來壓前可能的頂板壓力計(jì)算和實(shí)測(cè)值，可知直接頂厚度由①+③巖層組成時(shí)，來壓前計(jì)算頂板壓力和工作面支架實(shí)測(cè)的來壓前平均支護(hù)強(qiáng)度0.67 MPa相差較小。所以3303工作面頂板由①～③巖層組成工作面直接頂，厚度為MZ=5.66 m.

1.3.2基本頂厚度的確定

根據(jù)實(shí)測(cè)礦壓參數(shù)由式(6)計(jì)算基本頂?shù)暮穸萂E.

(6)

式中：

PT—周期來壓時(shí)頂板壓力，MPa，取1.03；

A—工作面直接頂巖重，A=25 kN/m3×5.66 m=0.14 MPa；

ME—基本頂基準(zhǔn)厚度，m；

γE—基本頂容重，kN/m3，取25；

c—基本頂周期來壓步距，m，實(shí)測(cè)均值取14.0；

KT—基本頂巖重分配參數(shù)，直接頂非常薄，一般取2；

LK—工作面平均控頂距，m，取5.54.

即：

(7)

由式(7)計(jì)算得到的3303工作面基本頂基準(zhǔn)厚度為ME=28.2 m.

進(jìn)一步與3303工作面巖層綜合柱狀圖比對(duì)可知：3303工作面基本頂由1層細(xì)粒砂巖巖層組成，為平均厚度ME=17.33 m.

1.3.3工作面頂板結(jié)構(gòu)模型

工作面頂板結(jié)構(gòu)模型見圖1.

主要特征參數(shù)如下：

1) 末采階段工作面平均采高4.0 m.

2) 直接頂由平均厚度1.11 m砂質(zhì)泥巖，3.55 m細(xì)粒砂巖和1.00 m泥巖組成，部分直接頂隨采隨冒。

圖1 工作面頂板結(jié)構(gòu)模型圖

3) 基本頂平均厚度為17.33 m的中粒砂巖，基本頂周期運(yùn)動(dòng)步距為14.7 m.

2 末采礦壓規(guī)律的應(yīng)用

5月1日凌晨1點(diǎn)12分，38.6 m位置處于來壓階段。根據(jù)工作面推進(jìn)速度與頂板來壓步距的關(guān)系，預(yù)計(jì)工作面貫通位置處于來壓狀態(tài)。

為使工作面貫通回撤通道時(shí)避開周期來壓，可通過改變推進(jìn)速度來實(shí)現(xiàn)。調(diào)整推進(jìn)速度后，5月1—2日，按照10刀組織生產(chǎn)；5月3日，再推3 m左右至鋪網(wǎng)位置，鋪網(wǎng)時(shí)按正常速度推進(jìn)?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到，當(dāng)工作面推進(jìn)至距主回撤通道6.6 m時(shí)，工作面頂板正處于來壓階段，基本頂斷裂位置和預(yù)計(jì)基本頂斷裂位置見圖2.

圖2 距回撤通道6.6 m時(shí)頂板結(jié)構(gòu)示意圖

此時(shí)無需等壓，繼續(xù)向前推進(jìn)便可在剩余階段推過來壓影響區(qū)域，在工作面與主回撤通道貫通之前保證結(jié)束頂板來壓?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到，繼續(xù)向前推進(jìn)3.5 m時(shí)，工作面頂板來壓結(jié)束。按正常推進(jìn)速度推進(jìn)(日割煤14～16刀)，周期來壓步距平均11.2 m，來壓持續(xù)步距平均5.2 m，預(yù)計(jì)基本頂在本次來壓結(jié)束后，下一次斷裂位置距主回撤通道(寬度5 m)副幫3.1 m，見圖2.

由以上分析可知，分析末采階段停采等壓前2～3次周期來壓規(guī)律，有利于對(duì)工作面以后的來壓位置做出預(yù)判，然后可通過調(diào)整推進(jìn)速度，避免工作面長時(shí)間的等壓。

3 結(jié) 語

末采階段的礦壓規(guī)律，尤其是末采階段停采等壓前2～3次周期來壓規(guī)律對(duì)指導(dǎo)工作面順利貫通回撤通道起到關(guān)鍵性作用。本文結(jié)合3303工作面的末采對(duì)大采高綜采末采礦壓規(guī)律進(jìn)行研究，主要結(jié)論有：

1) 通過實(shí)測(cè)支架工作阻力，分析得到工作面末采階段的周期來壓步距為14 m，顯著運(yùn)動(dòng)步距為5.9 m，相對(duì)穩(wěn)定步距均值為8.0 m，分析計(jì)算得到直接頂和基本頂厚度分別為5.66 m和17.33 m，部分直接頂隨采隨冒，基本頂隨工作面推進(jìn)周期性破斷。

2) 可通過調(diào)整推進(jìn)速度，改變工作面來壓位置，既能保證工作面帶壓推進(jìn)，在工作面貫通主回撤通道時(shí)，工作面設(shè)備的回撤免受頂板來壓的影響，又能避免工作面長時(shí)間等壓。

3) 依據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)的礦壓規(guī)律，當(dāng)工作面推進(jìn)至距主回撤通道6.6 m時(shí)，選擇帶壓推進(jìn)。在工作面與回撤通道貫通時(shí)，避開了頂板來壓，實(shí)現(xiàn)了工作面的順利貫通。

[1] 高登彥,楊金樓.大柳塔煤礦52煤7 m大采高綜采工作面支架工作阻力分析[J].中國礦業(yè),2016,25(2):80-84，101.

[2] 楊 娟.大采高綜采工作面末采階段來壓規(guī)律與頂板控制技術(shù)[J].煤炭工程,2015,47(10):54-57.

[3] 李振華,趙銀虎.大采高工作面末采頂板結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)研究[J].山西焦煤科技,2016,40(7):16-18.

[4] 高登云.7 m大采高綜采工作面末采期間頂板控制技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2014(10):121-124.

ResearchonMiningPressureLawofEnd-mininginFullyMechanizedCoalMiningFacewithLargeMiningHeight

LIZonglin

Takes 3303 working face in a coal mine as the background, based on the combined methods of field measurement, theoretical research and the roof management experience, the strata pressure law of ending-mining is fully studied for a theoretical basis for safety production. The mining speed in 3303 working faces is therefore adjusted timely according to the pressure law collected by site measurement, so as to avoid the peak roof pressure during and after docking of work face, making the docking more smooth.

End-mining; Mining pressure law; Mining speed; Mining under pressure

·專題綜述·

2017-08-08

李宗霖(1989—)，男，山西陽泉人，2012年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦安全生產(chǎn)管理工作(E-mail)cumt_exam@126.com

TD323

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1672-0652(2017)10-0053-04