李和平

（上社煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045100）

0 引言

煤炭行業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展對(duì)我國(guó)工業(yè)及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[1]。在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)我國(guó)的能源仍將以煤炭為主[2-4]。煤炭行業(yè)發(fā)展的同時(shí)也帶來(lái)了許多安全問(wèn)題，其中礦井中液壓支架的合理選型，對(duì)安全開(kāi)采具有重要意義。一方面生產(chǎn)廠家不斷提高液壓支架的支護(hù)能力，從而達(dá)到有效減少煤壁片幫和局部冒頂現(xiàn)象的目的；另一方面，隨著液壓支架支護(hù)能力的提高，其重量和造價(jià)相應(yīng)增加，生產(chǎn)過(guò)程中造成了許多新的問(wèn)題。比如工作面搬家困難、頂板局部臺(tái)階下沉、局部冒頂、支架損壞等現(xiàn)象。因此，有必要對(duì)淺埋煤層大采高綜采面礦壓規(guī)律進(jìn)行更加深入的研究，從而為大采高綜采面安全高效生產(chǎn)提供有效指導(dǎo)。

采煤工藝中，通常將綜采煤層厚度在3.5m以上的采煤方法稱為大采高綜采[5]。文獻(xiàn)[6]首次對(duì)淺埋煤層進(jìn)行了分類，提出了典型淺埋煤層和近淺埋煤層概念。為了分析淺埋煤層大采高綜采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，本文對(duì)5-7m采高范圍的淺埋煤層大采高綜采面顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究分析。

1 典型淺埋煤層大采高礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

1.1 工作面概況

典型淺埋煤層大采高工作面結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，工作面在周期來(lái)壓期間，在壓實(shí)區(qū)關(guān)鍵塊落入踩空區(qū)域后，離層關(guān)鍵塊出現(xiàn)如圖所示的大跨度伸出懸梁結(jié)構(gòu)，即懸伸結(jié)構(gòu)。本文通過(guò)對(duì)不同采高典型淺埋煤層大采高工作面進(jìn)行對(duì)比分析，研究其礦壓規(guī)律的變化情況。根據(jù)實(shí)際情況，分別對(duì)20601、15201、33206工作面分析其覆巖結(jié)構(gòu)組成情況，得出三個(gè)工作面均為單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，屬于典型淺埋煤層工作面。工作面條具體件如下：20601、15201、33206工作面走向長(zhǎng)度分別為2920m、2590m、2474m；煤層傾角都為1°-3°；平均煤層厚度分別為5.1m、5.8m、6.25m；工作面長(zhǎng)度分別為300m、301m、303m；設(shè)計(jì)采高分別為 5.0m、5.3m、6.0m。

上述三種不同工作面所用液壓支架的主要技術(shù)特征見(jiàn)表1。

圖1 典型淺埋煤層大采高工作面結(jié)構(gòu)模型

1.2 不同采高工作面的礦壓規(guī)律分析

1）工作面初次來(lái)壓規(guī)律分析。

各工作面初次來(lái)壓時(shí)支架的平均工作阻力分別為9002kN、9910kN、10560kN；實(shí)時(shí)測(cè)量得其最大工作阻力分別為11033kN、11425kN、11725kN；工作面增載系數(shù)分別為1.1、1.1、1.25；根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，工作面初次來(lái)壓步距分別為62.5m、63.5m、51.7m，來(lái)壓時(shí)持續(xù)長(zhǎng)度分別為4.0m、4.7m、5.8m。工作面初次來(lái)壓具體特征見(jiàn)表2。

表1 工作面液壓支架技術(shù)特征

表2 工作面初次來(lái)壓特征表

通過(guò)表2數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，三個(gè)不同工作面初次來(lái)壓步距主要集中在50-70m之間；工作面采高與來(lái)壓步距之間沒(méi)有規(guī)律顯現(xiàn)。隨著采高的增加，支架的平均工作阻力增大。

2）工作面周期來(lái)壓分析。

表3分別對(duì)不同工作面支架來(lái)壓與非來(lái)壓時(shí)平均工作阻力的變化情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)?？芍谕还ぷ髅嫔蟻?lái)壓與非來(lái)壓時(shí)工作面支架工作阻力變化幅度在3-4MN范圍內(nèi)，變化幅度不大；隨著采高的增加，非來(lái)壓時(shí)工作面支架的平均工作阻力增加。分析支架工作阻力增大的原因是由于采高增加時(shí)，相應(yīng)的開(kāi)采空間增大，開(kāi)采面覆巖活動(dòng)面價(jià)加大，從而導(dǎo)致工作面支架阻力產(chǎn)生明顯的變化。

圖2主要分析了不同采高對(duì)應(yīng)工作面動(dòng)載系數(shù)的變化情況，從圖可知，隨著采高增加，動(dòng)載系數(shù)明顯減小，變化較為明顯。在20601工作面時(shí)，采高為5.2m，平均動(dòng)載系數(shù)為1.59；在15201工作面時(shí)，采高為5.5m，平均動(dòng)載系數(shù)為1.41；在32206工作面時(shí)，采高為6m，平均動(dòng)載系數(shù)為1.37。

表3 不同采高工作面周期來(lái)壓特征表

圖2 動(dòng)載系數(shù)變化情況

通過(guò)上述分析可知，對(duì)于典型的淺埋煤層大采高綜采面，周期來(lái)壓步距分布在10-20m之間，初次來(lái)壓步距在50-70m之間。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，來(lái)壓步距受采高的影響較小，其主要與工作面推進(jìn)速度有關(guān)。在工作面推進(jìn)過(guò)程中，同一工作面來(lái)壓與非來(lái)壓兩種工況工作阻力變化不大。在周期來(lái)壓時(shí)，隨著采高增加，動(dòng)載系數(shù)明顯減小，支架工作阻力增大，變化較為明顯。

2 近淺埋煤層大采高礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

2.1 工作面概況

圖3 近淺埋煤層大采高工作面結(jié)構(gòu)模型

近淺埋煤層大采高工作面結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，主要由主關(guān)鍵層、軟弱夾層、亞關(guān)鍵層、直接頂?shù)冉M成。工作面受周期來(lái)壓時(shí)，亞關(guān)鍵層開(kāi)始斷裂，最終導(dǎo)致覆巖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)如圖所示的“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)。本文分析中，選取三不同工作面30101、85201、22303工作面，其工作面長(zhǎng)度分別為300m、295m、301m；走向推進(jìn)長(zhǎng)度分別為4252m、3160m、4966m；煤層平均厚度分別為 9.13m、6.5m、7.55m；采高分別為 5m、6.5m、6.8m。三個(gè)工作面支架的主要技術(shù)特征見(jiàn)表4。

2.2 不同采高工作面礦壓規(guī)律的分析

1）工作面初次來(lái)壓規(guī)律分析。工作面初次來(lái)壓特征見(jiàn)表5，從表分析可知三個(gè)不同大采高工作面初次來(lái)壓步距分布在60-75m之間，來(lái)壓時(shí)的平均工作阻力隨著采高的增加而增大，工作面采高與來(lái)壓步距之間沒(méi)有規(guī)律顯現(xiàn)。

2）工作面周期來(lái)壓分析。圖4-圖6所示為三個(gè)不同采高工作面中部支架壓力變化曲線，從圖可以看出，周期來(lái)壓時(shí)來(lái)壓步距和來(lái)壓載荷存在著明顯的周期變化。小來(lái)壓時(shí)步距主要在14m左右，大來(lái)壓時(shí)步距在25m左右，呈現(xiàn)出大小周期來(lái)壓步距交替出現(xiàn)的情況。小來(lái)壓步距約為大來(lái)壓步距的1/2。

表4 工作面液壓支架技術(shù)特征

表5 工作面初次來(lái)壓特征表

圖4 30101工作面中部壓力變化曲線

圖6 22303工作面中部壓力變化曲線

圖7 不同采高動(dòng)載系數(shù)變化情況

圖7 所示為上述不同采高情況下動(dòng)載系數(shù)的變化情況，從圖可以看出，同一采高時(shí)，動(dòng)載系數(shù)出現(xiàn)高低交替變化，不同采高間動(dòng)載系數(shù)不具有規(guī)律性；總體看動(dòng)載系主要分布在1.4左右。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分別通過(guò)對(duì)不同采高、不同煤層的大采高工作面進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)于典型淺埋大采高工作面周期來(lái)壓步距在10～20m之間，初次來(lái)壓步距在50～70m之間，同一工作面來(lái)壓與非來(lái)壓兩種工況工作阻力變化不大。在周期來(lái)壓時(shí)，隨著采高增加，動(dòng)載系數(shù)明顯減小，支架工作阻力增大。對(duì)于近淺埋煤層大采高工作面，呈現(xiàn)出大小周期來(lái)壓步距交替出現(xiàn)的情況，小來(lái)壓步距約為大來(lái)壓步距的1/2，并且動(dòng)載系數(shù)也出現(xiàn)高低交替變化，小來(lái)壓時(shí)步距主要在14m左右，大來(lái)壓時(shí)步距在25m左右，出現(xiàn)明顯的礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)。