嚴(yán)聰 白景浩

摘要：科技的進(jìn)步，促進(jìn)人們對(duì)能源需求的增多。隨著機(jī)械化水平的不斷提高，煤層開(kāi)采的厚度也不斷增加。越來(lái)越多的大采高工作面出現(xiàn)，而且人們對(duì)大采高工作面礦壓規(guī)律的研究逐步深入。大采高綜采是相應(yīng)條件下厚煤層綜采的主要發(fā)展方向之一。本文就大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬展開(kāi)探討。

關(guān)鍵詞：大采高綜采;工作面;礦壓;巖層運(yùn)動(dòng)

引言

大采高綜采是指對(duì)3.5m～5.0m厚的煤層一次采全高的綜采技術(shù)，我國(guó)從1978年起，開(kāi)始試驗(yàn)厚煤層大采高一次采全厚開(kāi)采方法，至今已得到了長(zhǎng)足進(jìn)步。目前，在內(nèi)蒙、山西等礦井的厚煤層一次開(kāi)采得以實(shí)現(xiàn)。大采高綜采具有開(kāi)采工藝簡(jiǎn)單、安全水平高、高產(chǎn)高效等多重優(yōu)點(diǎn)，但其采高和頂煤厚度較大，更容易出現(xiàn)煤壁片幫和端頭頂煤冒漏等現(xiàn)象。掌握綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，可以合理設(shè)計(jì)采場(chǎng)初撐力并解決煤壁片幫的問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)礦井的安全高效生產(chǎn)。

1綜采工作面系統(tǒng)的組成

綜合機(jī)械化采煤工作面完整的成套設(shè)備由以下幾個(gè)系統(tǒng)組成：（1）工作面內(nèi)的采、支、運(yùn)系統(tǒng)——有采煤機(jī)械、液壓支架、刮板輸送機(jī)和端頭支護(hù)設(shè)備（簡(jiǎn)稱“三機(jī)”）;（2）運(yùn)輸平巷內(nèi)的運(yùn)煤系統(tǒng)——有轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、可伸縮膠帶輸送機(jī);（3）液壓系統(tǒng)——有乳化液泵、乳化液溶箱及其進(jìn)、回液主管路;（4）控制指揮系統(tǒng)——有控制臺(tái)、聲光信號(hào)、擴(kuò)音電話及其線路;（5）供水系統(tǒng)——有冷卻水、噴霧泵、水箱及其進(jìn)出、水管路;（6）供電系統(tǒng)——有高壓供電線路及其連接器和開(kāi)關(guān)、移動(dòng)變電站、低（中）壓配電開(kāi)關(guān)群及其分支供電線路。這六個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備是搞好綜合機(jī)械化采煤必不可少的裝備，必要時(shí)還應(yīng)配設(shè);（7）照明系統(tǒng)——有工作面及平巷的照明燈具及其線路;（8）輔助設(shè)備——有液壓安全絞車、調(diào)度絞車、電鉆、排（污）水泵等;（9）輔助運(yùn)輸設(shè)備——有卡軌車或單軌吊及其附屬設(shè)備。

2液壓支架工作阻力計(jì)算

（1）經(jīng)驗(yàn)估算法。在目前的工作面液壓支架選型的工程實(shí)際當(dāng)中，煤炭工作者仍然廣泛使用經(jīng)驗(yàn)估算法，由于煤炭賦存情況多變、覆巖分層多樣以及各種地質(zhì)情況的出現(xiàn)，通常不能被設(shè)計(jì)人員提前獲知，因此也很難顧全所有方面。為有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作人員以及煤炭開(kāi)采設(shè)計(jì)人員提出了以現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)為主的液壓支架工作阻力計(jì)算公式。由于該公式需要為數(shù)眾多的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，所以各國(guó)的經(jīng)驗(yàn)公式也不盡相同，以我國(guó)煤炭生產(chǎn)實(shí)踐為指導(dǎo)的經(jīng)驗(yàn)公式也就應(yīng)運(yùn)而生。通常，我國(guó)煤炭工作者認(rèn)為工作面采高應(yīng)當(dāng)是液壓支架工作阻力的主要影響因素，即：

由于該公式提出時(shí)間較早，雖然在普通采高工作面得到了廣泛應(yīng)用，并體現(xiàn)出了優(yōu)良的效果。但當(dāng)工作面采高增大以后，其上覆巖層結(jié)構(gòu)和運(yùn)移與普通采高相差甚遠(yuǎn)。如果繼續(xù)采用此方法計(jì)算大采高工作面液壓支架選型，顯然是不合理、不科學(xué)的。（2）頂板分類計(jì)算法。由于工作面頂板對(duì)液壓支架有著直接的影響，故煤科院專家認(rèn)為應(yīng)當(dāng)根據(jù)頂板來(lái)壓強(qiáng)度級(jí)別來(lái)對(duì)液壓支架工作阻力進(jìn)行計(jì)算。工作面液壓支架支護(hù)強(qiáng)度與工作阻力計(jì)算如下：

綜合國(guó)內(nèi)外學(xué)者就大采高礦壓顯現(xiàn)與工作面液壓支架工作阻力的確定，根據(jù)不同地質(zhì)條件以及開(kāi)采參數(shù)，構(gòu)建了形式多樣的計(jì)算方法，提出了多種礦壓顯現(xiàn)理論，總結(jié)了繁多的支架工作阻力經(jīng)驗(yàn)公式。為我國(guó)大采高開(kāi)采技術(shù)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)與研究基礎(chǔ)。但由于具體煤層賦存千變?nèi)f化，這就使得在計(jì)算某個(gè)具體礦井或某類具體地質(zhì)條件下的工作礦壓顯現(xiàn)與工作阻力計(jì)算變的困難。所以在具體地質(zhì)條件確定以后，必須利用數(shù)值模擬的方法，改變工作面具體開(kāi)采參數(shù)例如：工作面長(zhǎng)度、埋深、采高、仰采角度等因素，為具體礦井量身確定符合自身特點(diǎn)的液壓支架類型、采區(qū)布置參數(shù)以及工藝參數(shù)，并為相鄰礦井提供可靠參考。

3大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究現(xiàn)狀

大采高綜采工作面采場(chǎng)頂板巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和采場(chǎng)壓力顯現(xiàn)規(guī)律有其特殊性。工作面采高大，不僅使工作面頂板活動(dòng)空間與老頂懸臂梁結(jié)構(gòu)的彎距加大，使工作面壓力加大，而且因工作面上覆巖層冒落高度及裂隙帶高度的加大，使采場(chǎng)采動(dòng)影響波及的范圍增大，易發(fā)生“煤壁片幫———頂板冒落———煤壁片幫”的惡性循環(huán)。頂板冒落使支架失去上部約束而產(chǎn)生傾倒，支架傾倒后受力狀態(tài)惡化和承載能力下降又使工作面頂板出現(xiàn)進(jìn)一步冒漏。國(guó)內(nèi)外采礦工作者十分重視大采高帶來(lái)的頂板巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律和采場(chǎng)壓力顯現(xiàn)規(guī)律的研究，由于煤礦地質(zhì)條件的多樣性和復(fù)雜性，我國(guó)大采高綜采面液壓支架穩(wěn)定性等類的事故率平均高達(dá)6%～20%以上，遠(yuǎn)比采高小于3.5m的綜采面嚴(yán)重。大采高綜采面礦壓規(guī)律特殊性問(wèn)題己成為生產(chǎn)實(shí)踐中迫切需要研究解決的采礦問(wèn)題。國(guó)外由于受客觀條件的限制，適合大采高綜采的厚煤層不多，而厚煤層賦存較多的美國(guó)、澳大利亞等大多采用房柱式采煤法。就目前而言，我國(guó)在大采高綜采工作面與巷道圍巖控制技術(shù)方面進(jìn)行了一定的探索，但由于大采高綜采實(shí)踐時(shí)間短，各研究單位所觀測(cè)到的礦壓數(shù)據(jù)和研究結(jié)果，大多只適用于局部相似條件的范圍，而對(duì)其它類似條的地區(qū)僅有一定的參考價(jià)值。因此，進(jìn)行大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)特征及控制研究，掌握頂板活動(dòng)規(guī)律及壓力顯現(xiàn)規(guī)律具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

4綜采面液壓支架合理工作阻力確定

綜采支架合理工作阻力確定有許多方法，目前國(guó)外確定支架合理工作阻力的方法可歸結(jié)為三種：巖石自重法、頂?shù)装逡平糠?、統(tǒng)計(jì)法。巖石自重法以采高為自變量，支架工作阻力與采高呈直線關(guān)系，所以一般說(shuō)來(lái)，采高越大，計(jì)算的支架工作阻力越偏大。頂?shù)装逡平糠ㄒ皂數(shù)装逡平亢椭Ъ苤ёo(hù)強(qiáng)度支架的雙曲線關(guān)系為依據(jù)，但計(jì)算的許多系數(shù)需要實(shí)驗(yàn)獲得，一般易與實(shí)際情況產(chǎn)生誤差。統(tǒng)計(jì)法以液壓支架端面頂板冒落高度和臺(tái)階下沉作為衡量支護(hù)強(qiáng)度是否足夠的指標(biāo)，以獲得合理支架支護(hù)強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。我國(guó)液壓支架合理工作阻力的確定方法因不同采場(chǎng)條件及對(duì)頂板控制的不同認(rèn)識(shí)，存在多種方法。主要有載荷估算法、理論分析法和實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)法。載荷估算法認(rèn)為支架合理工作阻力應(yīng)能承受控頂區(qū)以內(nèi)及懸頂部分的直接頂載荷和老頂來(lái)壓時(shí)的形成的附加載荷。理論分析法按照砌體梁學(xué)說(shuō)，工作面支架的作用應(yīng)及時(shí)支撐控頂區(qū)內(nèi)直接頂巖層，同時(shí)要對(duì)上覆可能形成的砌體梁結(jié)構(gòu)的老頂巖層形成支撐，用以平衡其部分載荷，避免老頂沿工作面形成切頂和大量臺(tái)階下沉。實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)法主要有三種，即太原理工大學(xué)靳鐘銘教授提出的數(shù)理統(tǒng)計(jì)的回歸公式估算、礦壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定和按照頂板分類中支架的支護(hù)強(qiáng)度確定。

結(jié)語(yǔ)

研究結(jié)果表明大采高綜采老頂來(lái)壓較普通綜采更為劇烈，局部冒頂和煤壁片幫現(xiàn)象更為嚴(yán)重，支架沖擊載荷更為突出，支承壓力影響范圍更為廣，工作面周期來(lái)壓明顯，來(lái)壓強(qiáng)度增加。

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