金向陽(yáng)，劉金凱，華 輝，霍利杰，馬 東

（1.天地科技股份有限公司國(guó)內(nèi)成套裝備部，北京100013；2.同煤國(guó)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(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架適用性研究

金向陽(yáng)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(guó)內(nèi)成套裝備部，北京100013；2.同煤國(guó)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(jiān)硬頂板條件下采用大采高綜放開(kāi)采時(shí)礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)以及支架的適用性，以該礦8100工作面為實(shí)際工程背景，通過(guò)理論分析以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)得出：在采高增大及堅(jiān)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?；工作面頂板呈現(xiàn)周期來(lái)壓現(xiàn)象，來(lái)壓步距16～25.6m不等，相差較大，來(lái)壓時(shí)存在立柱安全閥開(kāi)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(hù)需求，但存在前后柱受力不均勻現(xiàn)象，且支護(hù)效率有待提高。研究結(jié)果對(duì)相似條件下大采高綜放開(kāi)采具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

大采高綜放；礦壓；支架；堅(jiān)硬頂板

在我國(guó)現(xiàn)有煤炭?jī)?chǔ)量和產(chǎn)量中，厚煤層（厚度≥3.5m）均占45%左右，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效開(kāi)采的主力煤層，且由于煤層厚度大，對(duì)其開(kāi)采可以有多種方法可供選擇［1］。我國(guó)厚煤層開(kāi)采方法主要有分層開(kāi)采、大采高一次采全高和放頂煤開(kāi)采，其中大采高綜放開(kāi)采結(jié)合了大采高綜采及放頂煤開(kāi)采的優(yōu)勢(shì)，為礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效提供了新的途徑。但是大采高綜放開(kāi)采一次采出厚度增加，頂板巖層活動(dòng)過(guò)程的復(fù)雜性和不可預(yù)見(jiàn)性進(jìn)一步增強(qiáng)，給采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)帶來(lái)質(zhì)的變化，礦壓顯現(xiàn)更為強(qiáng)烈，不但對(duì)礦壓理論的研究提出挑戰(zhàn)，而且對(duì)工作面支護(hù)設(shè)備提出更高的要求［2-6］，尤其是在堅(jiān)硬頂板條件下這些問(wèn)題就更為突出。為此針對(duì)同忻煤礦8100大采高綜放工作面在堅(jiān)硬頂板條件下的礦壓特點(diǎn)進(jìn)行研究，以便為同類地質(zhì)條件下大采高綜放開(kāi)采提供借鑒和參考。

1　工程背景

同煤國(guó)電同忻煤礦屬于近水平煤層，采用大采高綜放開(kāi)采。8100工作面開(kāi)采3-5號(hào)煤層，開(kāi)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(wàn)=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(jiān)硬粗砂巖，硬度系數(shù)f=10.6，工作面傾斜長(zhǎng)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(jìn)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(guò)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(jiān)硬，不易垮落，根據(jù)堅(jiān)硬頂板的力學(xué)性質(zhì)和破斷規(guī)律，利用頂板初次來(lái)壓和周期來(lái)壓所形成力學(xué)模型，對(duì)其來(lái)壓步距進(jìn)行判斷。

2.1工作面初次來(lái)壓步距計(jì)算

隨著長(zhǎng)壁工作面的開(kāi)采，堅(jiān)硬頂板巖層懸露時(shí)，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(jiǎn)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(lái)壓時(shí)頂板在煤壁端部發(fā)生破斷，當(dāng) σmax=R時(shí)，巖梁被拉裂，則其極限跨距為:

圖1　初次來(lái)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(qiáng)度；q為堅(jiān)硬巖梁本身及上覆巖層傳遞的荷載。

2.2工作面周期來(lái)壓步距計(jì)算

工作面基本頂初次斷裂后，隨著回采工作面繼續(xù)推進(jìn)，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(zhǎng)度很大時(shí)，發(fā)生有規(guī)律的周期性折斷，力學(xué)模型見(jiàn)圖2。

圖2　周期來(lái)壓力學(xué)模型

破斷塊體走向尺寸較整個(gè)開(kāi)采范圍內(nèi)的頂板巖層尺寸相對(duì)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(qiáng)度極限時(shí)，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(lái)壓步距及周期來(lái)壓步距與基本頂巖層的厚度及抗拉強(qiáng)度有關(guān)。厚度越大，抗拉強(qiáng)度越高，則初次來(lái)壓步距及周期來(lái)壓步距越大。8100工作面基本頂為8.3m左右的堅(jiān)硬粗砂巖，力學(xué)強(qiáng)度較高，容易形成大面積懸頂結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其初次來(lái)壓及周期來(lái)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(huì)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(jiān)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(shí)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(cè)內(nèi)容及方法

3.1礦壓觀測(cè)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(diǎn)，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(duì)綜放工作面各支架的工作阻力變化情況進(jìn)行觀測(cè)。

3.2觀測(cè)點(diǎn)布置

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

圖3　測(cè)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(cè)時(shí)間從2010年9月16日到2010年10月14日，共推進(jìn)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(cè)結(jié)果，繪制全過(guò)程液壓支架工作阻力趨勢(shì)曲線圖，如圖4所示，由此來(lái)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(jìn)到約23.8m時(shí)才開(kāi)始采集到礦壓數(shù)據(jù)，當(dāng)工作面推進(jìn)到37.4m時(shí)，出現(xiàn)第一次來(lái)壓。工作面頂板有周期來(lái)壓現(xiàn)象，來(lái)壓步距多在16～25.6m不等，來(lái)壓步距相差較大。來(lái)壓強(qiáng)度較大，立柱安全閥開(kāi)啟，立柱下沉較明顯，運(yùn)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(gè)別支架工作阻力超過(guò)額定阻力。此時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)工作面液壓支架的管理，保證支護(hù)質(zhì)量，同時(shí)加快工作面的推進(jìn)速度，避免周期壓力對(duì)工作面的長(zhǎng)期影響，縮小周期來(lái)壓時(shí)間。

此外，對(duì)日常綜采工作面支架壓力采集表進(jìn)行整理分析，總結(jié)了從9月22日到10月15日單個(gè)支柱支護(hù)阻力均值的變化情況，分析了支柱來(lái)壓時(shí)的支護(hù)阻力均值和其余時(shí)段未來(lái)壓時(shí)的阻力均值，繪制來(lái)壓時(shí)與未來(lái)壓時(shí)整個(gè)工作面支護(hù)阻力對(duì)比曲線圖，如圖5和圖6所示。

圖5　工作面來(lái)壓時(shí)與未來(lái)壓時(shí)支架前柱工作阻力對(duì)比

圖6　工作面來(lái)壓時(shí)與未來(lái)壓時(shí)支架后柱工作阻力對(duì)比

由圖5和圖6可知，來(lái)壓時(shí)整個(gè)工作面立柱支護(hù)阻力明顯大于未來(lái)壓時(shí)，極值點(diǎn)在工作面中部分布比較集中，工作面中部支護(hù)阻力大于兩端。未來(lái)壓期間極值點(diǎn)分布相對(duì)較離散，支護(hù)阻力值在較大范圍波動(dòng)，中部支護(hù)阻力要明顯高于端部支護(hù)阻力。經(jīng)計(jì)算，來(lái)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(yùn)行特性分析

通過(guò)對(duì)支架監(jiān)測(cè)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?jī)膳胖Ъ軘?shù)據(jù)為例，如表1所示。

由表1可知，8100工作面支架支護(hù)阻力分布頻率以區(qū)間24～30MPa所占比率最大。支架支護(hù)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(shuō)明工作面中部支架所承受壓力要大于兩端。在來(lái)壓期間，個(gè)別支架工作阻力超過(guò)額定阻力，也有極個(gè)別支架工作阻力值大于安全閥開(kāi)啟值，導(dǎo)致安全閥開(kāi)啟，給工作面安全帶來(lái)了隱患，在來(lái)壓期間必須加強(qiáng)工作面支護(hù)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(hù)效率有待提高，其中，后柱支護(hù)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(hù)阻力統(tǒng)計(jì)分析

說(shuō)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(hù)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(yùn)行的?？傮w上，支架運(yùn)行狀態(tài)基本能滿足工作面的支護(hù)需求，支架工作狀態(tài)良好，工作阻力可滿足工作面實(shí)際開(kāi)采的要求。

5　結(jié) 論

（1）厚層堅(jiān)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(lái)壓強(qiáng)度大，容易發(fā)生支架壓死、片幫冒頂?shù)仁鹿?，需加?qiáng)防范。

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

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

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［責(zé)任編輯：李 青］

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［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

B

1006-6225（2016）04-0147-03

2015-11-18

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

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

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