关于沿空掘巷工作面矿压特征与适应支架安全性研究.pdf

收稿日期:2023 05 16作者简介:崔 阳(1992-),男,山西高平人,助理工程师,从事安全技术工作。doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.10.017关于沿空掘巷工作面矿压特征与适应支架安全性研究崔 阳(太原煤炭气化(集团)有限责任公司,山西 太原 030006)摘 要:为确保综采工作面开采过程中的安全性与稳定性,针对沿空掘巷工作面矿压显现剧烈的问题,以中能煤业 3305 工作面地质条件为背景,采用现场实测方法,对沿空掘巷工作面矿压显现特征与支架适应性进行了研究,结论如下:沿空掘巷工作面在不同区域来压步距相差较大,沿空掘巷侧由于顶板受到二次回采影响,初次来压步距以及周期来压步距明显小于其他区域,巷道围岩变形量随着与工作面距离的减小而逐渐增大,变形以底鼓为主;液压支架工作阻力与初撑力均未超过额定值,ZY15000/30/67D 型液压支架能够适应工作面的安全生产。关键词:沿空掘巷;矿压规律;工作阻力中图分类号:TD322 文献标识码:A 文章编号:1005 2798(2023)10 0063 03 随着煤矿科学技术水平的不断进步,矿井机械化水平明显提升,综采工作面液压支架工作阻力大幅提高,设备性能以及功能愈加丰富,提高了工作面开采效率。目前,由于矿井开采地质条件的复杂化,工作面矿压显现特征变化较大,导致开采设备的开采适应性差,影响工作面的安全生产1-3。为确保综采工作面开采过程中的安全性与稳定性,研究人员对综采工作面液压支架适应性进行了大量研究。秦忠诚等4分析了孤岛工作面矿压特征的叠加效应,采用现场观测与数值模拟相结合的方法对液压支架适应性进行了研究;李扬等5建立了特厚煤层近远场覆岩结构模型,确定了液压支架工作阻力计算方法,揭示了顶板坚硬岩层失稳是工作面矿压显现的关键因素;张杰等6通过相似模拟试验研究了极近距离煤层沟谷地形的矿压显现规律,并对不同阶段下的矿压特征进行了实测分析,验证了工作面支架的合理性。本文以中能煤业 3305 工作面地质条件为基础,对沿空留巷工作面矿压显现特征进行了实测分析,并验证了重型放顶煤支架适应性,研究结果对矿井相似条件工作面开采具有借鉴意义。1 工程概况中能煤矿 3305 工作面开采煤层为 3 号煤,煤层厚度平均为 5.2 m,倾角平均为 5,工作面顶板岩层为泥岩、中砂岩,底板岩性为泥岩、砂质泥岩,顶底板柱状如图 1 所示。3305 工作面北面为采区大巷,南面为采区边界,采用三巷布置方式,其中 33051 巷沿相邻 3303 工作面采空区留设 8 m 小煤柱掘巷形成,巷道断面宽高=5.0 m3.5 m,3305 工作面倾斜长度为 210 m,推进长度为 1 564 m.工作面采用放顶煤开采方式,采高为 3 m,放煤高度为 2.2 m,液压支架型号为 ZY15000/30/67D,采用全部垮落法处理采空区顶板,工作面内共安装支架 120 套。由于工作面顶板内中砂岩岩层厚度大,在 33051 巷采用深孔爆破预裂顶板,从而减小采空区悬顶面积。图 1 煤层顶板综合柱状图2 矿压规律实测研究为监测沿空掘巷工作面矿压显现规律,主要对回采过程中的采场矿压显现特征以及沿空巷道围岩变形特征进行监测分析。在支架内安装工作阻力测站,每隔 10 架安装 1 台,共安设 12 台测站,其中 14 号测站监测工作面上部区域(机头区域),58 号监测工作面中部区域(工作面 5190 号液压支架区域),912 号监测工作面下部区域(机尾区域)。此外在 33051 巷超前工作面 100 m 处布设 1 个围岩变实实用用技技术术 第第 3 32 2 卷卷 第第 1 10 0 期期 2 20 02 23 3 年年 1 10 0 月月形监测测站,监测回采过程中巷道围岩的变形情况。1)采场矿压显现特征。3305 工作面于 2022年 12 月开始回采,截止 2023 年 1 月,工作面共回采220 m,取各区域支架工作阻力平均值进行分析。图2 为回采过程中不同区域液压支架工作阻力变化曲线图。图 2 液压支架工作阻力曲线图从图中可以看出,工作面上部(小煤柱侧)推进至 25.3 m 时支架工作阻力明显增大,由 10 000 kN达到 13 000 kN 以上,表明此区域开始来压;工作面中部推进至 32.5 m 时支架工作阻力明显增大,由9 500 kN 达到 13 000 kN 以上,表明此区域开始来压;工作面下部推进至 33.9 m 时支架工作阻力明显增大,由 9 000 kN 达到 13 400 kN 以上,表明此区域开始来压。工作面初次来压步距平均为 30.6 m,动载系数在 1.331.52 范围内。初次来压后,在工作面推进至 200 m 范围内,上部区域发生周期来压10 次,来压步距平均为 16.5 m;中部区域发生周期来压 9 次,来压步距平均为 21.4 m;下部区域发生周期来压步距 8 次,周期来压步距平均为 22.3 m.根据上述结果,沿空掘巷工作面在不同区域来压步距相差较大,沿空掘巷侧由于顶板受到二次回采影响,初次来压步距以及周期来压步距明显小于其他区域,但各区域来压时工作阻力相差较小,动载系数基本相同。2)沿空掘巷围岩变形特征。图 3 为回采过程中 33051 巷围岩变形曲线图。根据监测结果,33051 巷围岩变形量随着与工作面距离的减小而逐渐增大,当工作面推进至距测站 60 m 时,围岩变形速度明显增快,巷道顶底板移近量最大为 668 mm,其中顶板下沉量为 146 mm,底鼓量为 522 mm,变形以底鼓为主,顶板未出现冒顶等情况;两帮变形量最大为 275 mm,未出现片帮现象。由于 33051 巷沿煤层顶板掘进,因此回采期间巷道变形以底鼓为主,需采取措施保证巷道高度,顶板与两帮围岩相对稳定,变形量在可控范围内。图 3 围岩变形曲线图3 支架适应性分析1)工作阻力分析。为保证 3305 工作面支架选型的合理性,采用方差分析法确定支架额定工作阻力,其计算公式为:F=Ft+F式中:Ft为工作面推进过程中工作阻力平均值,根据矿压监测结果,取 10 352 kN;F为工作阻力的1 倍方差,取 769 kN.将两参数带入公式中,计算得支架的额定工作阻力为 11 121 kN.3305 工作面支架型 号 为 ZY15000/30/67D,额 定 工 作 阻 力 为15 000 kN,远大于 11 121 kN,因此该支架能够保证工作面的正常回采。图 4 为工作面回采过程中支架工作阻力区间分布图。可 以 看 出,工 作 阻 力 多 分 布 在 9 000 13 000 kN 范围内,占比达到 96%,并且未出现超过14 000 kN 的情况,因此该型号支架能够满足使用需求。2)初撑力分析。对 12 个测站支架的初撑力进行统计,去其平均值进行分析。由图 5 可知,12 个测站支架初撑力在 9 00010 000 kN 范围内,工作面液压支架型号为 ZY15000/30/67D,其额定初撑力为 12 000 kN,所有测站均无法达到额定初46 第 32 卷撑力。按照额定初撑力的 80%进行计算,符合初撑力要求的支架占比为 58.3%.该结果表明,工作面回采过程中初撑力均较小,不利于工作面顶板稳定,限制了支架性能发挥。图 4 支架工作阻力区间分布图图 5 液压支架初撑力曲线图4 结 语文章以中能煤业 3305 工作面地质条件为背景,采用现场实测方法,对沿空掘巷综放工作面矿压显现特征与支架适应性进行了研究,结论如下:1)沿空掘巷工作面在不同区域来压步距相差较大,沿空掘巷侧由于顶板受到二次回采影响,初次来压步距以及周期来压步距明显小于其他区域,但各区域来压时工作阻力相差较小,动载系数基本相同。2)沿空掘巷围岩变形量随着与工作面距离的减小而逐渐增大,当工作面推进至距测站 60 m时,围岩变形速度明显增快,巷道变形以底鼓为主,顶板与两帮围岩相对稳定,变形量在可控范围内,可满足安全生产要求。3)统计分析了液压支架工作阻力与初撑力的分布情况,支架工作阻力多分布在 9 000 13 000 kN 范围内,未超过额定工作阻力,支架初撑力较小,需采取措施提高初撑力。ZY15000/30/67D型液压支架能够适应工作面的正常生产,满足安全生产要求。参考文献:1 刘如鹏,张展华,郑东红.类孤岛工作面强矿压区域显现规律及支架适应性J.陕西煤炭,2023,42(1):102-106.2 白鹏程.坚硬顶板综放工作面矿压特征与支架阻力分析J.江西煤炭科技,2022(3):91-93.3 李星亮,陈岩峰,焦彪,等.近浅埋煤层液压支架合理工作阻力及适应性研究J.煤矿机械,2022,43(4):61-64.4秦忠诚,张国兴,詹召伟,等.1310 孤岛工作面初采矿压特征与支架适应性评价J.矿业研究与开发,2023,43(3):147-153.5 李 杨,韩风军,马富武,等.复杂坚硬岩层特厚煤层综放开采工作面液压支架适应性研究J.煤炭技术,2023,42(1):11-16.6 张 杰,李宏儒,杨森,等.极近距离沟谷地形下工作面矿压规律及支架适应性研究J.矿业研究与开发,2021,41(12):48-51.责任编辑:常丽芳(上接第 3 页)6张戈.喷洒吸收液治理支架放煤涌出硫化氢试验研究J.煤矿安全,2016,47(5):57-60,65.7 张 戈,刘 奎,孙秉成,等.急倾斜特厚煤层硫化氢涌出影响因素分析及控制技术J.煤矿安全,2016,47(4):80-84.8 杨宏伟,高 宏.煤矿回采工作面硫化氢综合治理方法及效果J.煤炭科学技术,2018,46(9):170-175.9 赵 丹,刘晓青.液态 CO2煤层增透技术及应用研究J.煤炭科学技术,2021,49(10):107-114.10 李 栋.玉溪煤矿 CO2气相爆破预裂增透试验研究J.山西煤炭,2021,41(4):7-11.责任编辑:常丽芳56第 10 期 崔 阳:关于沿空掘巷工作面矿压特征与适应支架安全性研究