缓倾斜薄煤层综采工作面矿压显现逻辑分析_赵兵.pdf

2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月A 煤矿生产能力为9.0 1 05t/a。该煤矿在1 0 1 0 1综采工作面生产过程中采用综采一次采全高采煤工艺，并采用了尤洛卡K J6 5 3顶板在线监测系统对液压支架工作阻力进行实时监测，以便于管理者根据监测结果制定合适的综采顶板控制策略。1工作面概况A煤矿1 0 1 0 1综采工作面处于一采区北部，回采1 0#煤层，煤厚1.2m，平均倾斜角度为05。总的来说，该煤层赋存稳定性良好。煤层顶部以砂质泥岩为主，厚度范围在4 6m 之间，平均厚度为5m，没有遇到伪顶情况。另外，从煤层直接底研究过程中能够看出，最为常见的岩石种类为砂质泥岩，其厚度在1.8 2.5m 之间，平均厚度为2.2m，层位比较稳定。整个综采工作面走向长度为10 4 0m，倾向长度为1 6 5m，工作面存储量为3.0 4 8 1 05t，在顶板控制上主要采用全部垮落法。2测站布置及观测内容2.1工作面液压支架工作压力监测为了保证主体压力监测工作的准确开展，在研究过程中引用了矿用本安型数字压力计，并在工作面设置3个测站，位置分布于工作面上、中、下三点，测站分别对应1 0#和1 5#支架、4 0#和4 5#支架、7 0#和7 5#支架，一个测站搭配两个数字压力计，重点关注1 0#和1 5#支架位置的左右立柱压力情况，具体如图1所示。在实际工作过程中，压力计每隔5m in会进行一次记录工作，借助于数据激光采集器对数据进行定时记录，之后通过适配器将数据传递给计算机为后续数据分析提供充分条件。对于监测数据分析，主要采用的是煤矿综采支架压力数据管理系统，能够保证最终数据分析结果的准确性1。2.2巷道围岩变形监测开展巷道围岩变形监测工作时，主要应用的设备有顶板动态记录仪、钢卷尺和塔尺等，具体测站布置位置主要集中在回风平巷位置以及运输平巷超前工作面3 0m 范围内，一个测站会安排2个测区。为了保证监测效果，工作人员在测区顶底板和两帮中间位置均布收稿日期：2022-10-20作者简介：赵兵，1970年生，男，山西保德人，主要从事矿井建设及薄煤层开采方面的工作。缓倾斜薄煤层综采工作面矿压显现逻辑分析赵兵（山西煤炭运销集团芦子沟煤业有限公司，山西 保德0 3 6 6 0 0）摘要：为了保证煤炭资源的充分利用，大多数矿井制定了浅部薄煤层开采计划。但由于该部分煤层开采具备复杂性、多样性的特点，尤其是在坚硬顶板下，顶板强度较高，开采时经常遇到剧烈来压的情况。以A煤矿薄煤层1 0 1 0 1综采工作面矿压监测研究为出发点，对矿压显现特征以及压力影响范围进行总结。结果显示，工作面初次来压步距为1 9.0m，周期来压步距为6.8 7m，来压情况十分明显，还会对超前支撑产生影响，具体影响范围为1 8m左右。关键词：薄煤层；综采工作面；矿压中图分类号：T D 3 2 3文献标志码：A文章编号：2 0 9 5-0 8 0 2-(2 0 2 3)0 3-0 0 6 9-0 4Logical Analysis of Mine Pressure in Fully Mechanized Mining Face of Gently Inclined ThinCoal SeamZHAO Bing(Luzigou Coal Industry Co.,Ltd.,Shanxi Coal Transportation and Sales Group,Baode 036600,Shanxi,China)Abstract:In order to ensure the full utilization of coal resources,most mines have developed shallow thin coal seam mining plans.But because the mining conditions of this part of the coal seam have the characteristics of complexity and diversity,especiallyunder the hard roof,the roof strength is high,mining often encountered severe pressure.Based on the study on mine pressuremonitoring of 10101 fully mechanized mining face in thin coal seam of A Coal Mine,this paper summarized the characteristics ofmine pressure and the influence range of pressure.The results show that the initial pressing step distance of the working face is19.0 m,and the periodic pressing step distance is 6.87 m;the pressing situation is very obvious,having an impact on the advancesupport,and the specific influence range is about 18 m.Key words:thin coal seam;fully mechanized mining face;mine pressure（总第2 1 0期）能源产业6 9 DOI:10.16643/ki.14-1360/td.2023.03.0522 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月置了观测点，以了解巷道在开采活动中出现的底板移近量以及两帮移近量，并利用“十字布点法”明确测面中的测点位置，以便为后续工作开展奠定基础2。图 1 仪器测站和巷道变形测点布置3工作面矿压观测结果及分析3.1初次来压矿压观测时，工作人员可以从工作面自开切眼之后推进1 0m，这时采空区顶板不会出现大规模垮落现象，仅局部出现垮落问题。当工作面与切眼之间的距离达到1 6m 时，采空区内部冒落矸石的数量会大幅增加，此时，支架载荷数值处于增加状态。当切眼推进到1 8.6m 时，工作面来压变得更加明显，首次出现最大值，当多数支架安全阀开启后，会形成来压循环，具体循环2 3次。相比之下，工作面上部来压具备明显的滞后性，且初次来压步距与上部之间的距离数值固定，为2 0.4m，与中部之间的距离为1 8.6m，与下部之间的距离为1 8.0m，平均值为1 9.0m。除此之外，在来压过程中，动载系数同样会发生变化，具体范围是1.3 5 1.7 5，来压变化情况十分明显。3.2周期来压当初次来压现象出现之后，受覆岩载荷的影响，当工作面推进到一定位置时，基本顶会出现周期来压情况。该阶段的矿压监测工作开展需要以距离开切眼5 8.0m 位置为起始点，到距离开切眼9 4.5 4m 位置结束，其间总计推进的距离数值为3 6.5 4m，会经历5 9次来压循环，监测周期为5 6d。通过对来压周期的观测，能够了解支护阻力随工作面推进的变化规律，具体情况如图2所示。从具体监测统计数据中能够了解到，工作面上部周期来压涉及到的步距数值较大，下部来压步距则相对较小，整个来压持续的时间并不长，周期来压步距范围在3.7 8 1 1.9 7m 之间，平均数值为6.8 7m，平均动载系数大于1，具体数值为1.4 2。从这里也能够看出，该综采工作面的来压情况十分明显。也正是由于来压数值处于变化状态，证明支架在工作期间需要应对较大的压力波动，进一步增加了下部支架动载系数。后续工作面推进速度有所放缓，但顶板下沉时间延长，致使来压时动载系数越来越大3。3.3工作面支架阻力分布规律通过对工作面支架工作过程中压力变化的分析，能够帮助管理者了解上覆岩顶板压力变化情况，最终结果能够作为工作面顶板支护质量评价的依据。这其中最为常见的指标内容有支架初撑力、末阻力以及工作阻力。3.3.1支架初撑力统计分析从具体观测结果中能够看出，支架初撑力与额定初撑力之间的差距明显，初撑力波动范围较大，最高数值能够达到25 2 3k N/架，最低数值为1 2 4k N/架，从中可以得到上部支架平均初撑力，数值为15 7 3k N/架，中部支架平均初撑力为14 2 1k N/架，下部支架平均初撑力为9 8 8k N/架。与额定初撑力相比，上、中、下部支架初撑力占比分别为6 0.3 8%，5 4.6 7%和3 7.9 7%。通过对支架初撑力分布的分析，最终得到的结果为上部支架初撑力数值较高，中部支架初撑力数值紧随其后，最后是下部支架初撑力。从这里也能够看出，泵站压力在工作面压力损失中最为明显。另外，通过对支架总体平均初撑力计算，得到的最终数值为13 5 1k N，占额定初撑力的比例为5 1.8 6%，所呈现出的支架平均初撑力数值较小。具体支架初撑力分布情况如图3所示，实际初撑力的分布区间为8 0 0 20 0 0k N，占总数的7 9.5 4%，出现较大初撑力的情况并不多，很少有超过20 0 0k N 的情况。所以说，该综采面支架初撑力数值整体处于偏低状态，在后续工作中，相关工作人员应对它进行针对性优化4。3.3.2支架工作阻力统计分析在统计观测结果的过程中可以了解到，支架工作阻力的最大数值为33 7 6k N/架，从中计算出平均末阻力数值为21 5 1k N/架，占支架额定工作阻力的6 5.1 9%，其中支架额定工作阻力数值为33 0 0k N。另外，工作面上部、中部以及下部支架平均循环末阻力数值也能从统计中得到，分别为25 1 3k N/架、21 4 3k N/架和18 0 6k N/架，在额定工作阻力中的占比分别为7 6.1 7%，6 4.9 4%和5 4.7 4%。从具体数据中能够了解到，上部压力较大，下部压力较小。具体支架末阻力分布频率如图4所示，末阻力之中，超过20 0 0k N 的占比超过5 0%，证明液压支架在应用时能够发挥良好的作用，可以在整个煤层综采工作中推广。3.4回采巷道围岩变形分析回采巷道表面移近量变化曲线如图5所示。开展测站 1测站 210101 回风顺槽10101 综采工作面10101 胶带顺槽测站 1测站 220 m10 m20 m10 m10#支架15#支架40#支架45#支架70#支架75#支架7 0 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月图 2 中部支架支护阻力随工作面推进距离变化情况图 3 支架初撑力分布频率图图 4 支架末阻力分布频率示意图具体工作时，工作人员需要借助于回风巷以及运输巷中的测站执行观测任务，并做好数据整理工作，最终得到的分析结果如下：当回风巷工作面处于正常回采状态时，整个工作面前方巷道很容易受到压力影响，让顶板产生位置变化，具体移近量为3 8m m，两帮移近量为2 4m m。当运输巷工作面处于正常回采状态时，如果工作面受到动压影响，顶板位置同样会出现变化，累计移近量为5 6m m，两帮移近量为3 8m m。从变形角度来说，实际变形情况与工作面超前支撑压力之间存在直接关系，具体变形位置包括回风巷从煤壁前1 5m左右位置开始，运输巷从煤壁前方约1 8m 位置出现，距离工作面前方1 0m 位置处的变形幅度更大。相比之下，运输巷变形程度明显高于回风巷，反观巷道围岩变形问题，其变形量不大5。末阻力来压判据来压明显判据3 5003 0002 5002 0001 5001 0005000阻力/kN推进距离/m58.00 60.52 63.04 65.56 68.08 70.60 73.12 75.64 78.16 80.68 83.20 85.72 88.24 90.76 93.28 95.80a)40#支架末阻力来压判据来压明显判据末阻力来压判据来压明显判据3 5003 0002 5002 0001 5001 0005000阻力/kN推进距离/m58.00 60.52 63.04 65.56 68.08 70.60 73.12 75.64 78.16 80.68 83.20 85.72 88.24 90.76 93.28 95.80b)45#支架35302520151050302520151050比例/%比例/%0，400）400，800）800，1 200）1 200，1 600）1 600，2 000）2 000，2 600）初撑力分布区间/kN400，800）800，1 200）1 200，1 600）1 600，2 000）2 000，2 400）末阻力分布区间/kN2 400，2 800）2 800，3 300）26.36%31.36%13.64%1.82%21.82%5.00%2.73%5.45%16.36%19.09%26.36%15.45%14.55%赵 兵：缓倾斜薄煤层综采工作面矿压显现逻辑分析7 1 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月4矿压显现规律分析从该煤矿的煤层综采工作面实际情况来看，部分煤软底石灰岩顶板超前支撑压力的影响范围在8m 左右。当基本顶超前工作面出现断裂问题，超前支护载荷会出现很大的波动和反弹，影响整个综采工作面的稳定性。当基本顶来压问题出现后，滞后工作面1 0m范围内支护装置同样也要面临更大的载荷问题，倘若还伴随着悬顶情况，工作人员需要在巷道内采取新的支护措施，避免出现工作面严重滞后等问题。在采动过程中，沿空巷道超前表面位移会增加，具体增加数值在1 0m 左右，该数值与支柱载荷观测结果相似。当超前工作面超过2 0m，直接顶与基本顶之间会出现离层，如果超前距离在2 0m 之内，除了基本顶与直接顶之间的离层程度增大外，直接顶内部同样会出现变化，离层问题会越来越明显。由于基本顶硬度不高，能够承受的压力有限，而煤层刚好与之相反，不容易受到超前顺槽采动的影响。更为重要的是，在直接顶的设计过程中，以石灰岩顶板为主，坚硬程度较高，不易出现变形问题，能够保证顶板锚杆锚固力处于稳定状态6-7。5巷道支护技术应用从上述分析中能够了解到，1 0 1 0 1综采工作面超前支撑压力的影响范围约为2 5m，侧向支撑压力影响范围在6m 左右，在具体巷道支护工作开展过程中可以采取以下技术。对于运输巷顶帮设计，主要采取的方式为锚网索支护，工作人员可以根据地质条件和顶板特点，分别确定回采巷道锚杆、锚索支护等数据参数。为了进一步提升锚杆支护的稳定性，帮助整个系统承受更多载荷压力，工作人员可以将W 钢带应用其中，进而让整个系统的支护强度得到大幅提升。总的来说，薄煤层开采难度较大，覆存条件有限，周围地质条件十分复杂，企业需要在其中投入更多开采成本。为了确保相关工作顺利开展，管理者应提升对锚网索支护操作的重视程度，在保证支护强度的同时避免围岩受到破坏，强化巷道稳定性。需要注意的是，工作人员应保证支护强度处于合理状态，如果支护强度过高，同样会提升煤矿企业的开采成本，最终影响到市场煤价的正常走势。6结论通过对A 煤矿薄煤层1 0 1 0 1综采工作面的矿压监测研究，能够确定工作面初次来压步距上部数值为2 0.4m，中部为1 8.6m，下部为1 8.0m，平均数值为1 9.0m。除此之外，来压期间的平均动载系数为1.5 5，压力变化较为明显。整个工作面的支架阻力在2 0 0k N 以上，可以将液压支架应用效果体现出来，能够保证主体开采工作顺利进行。7结语经过分析可知：a)直接顶直接垮落，初步步距1 6m，老顶分段来压，初次来压步距平均1 8.6m，周期来压步距平均6.8 7m；b)实测工作面上下巷道超前影响范围1 5m 左右，巷道变形量较小，顶底板活动强度大于两帮的变形，建议工作面超前支护2 5m；c)明确1 0 1 0 1综采工作面矿压显现规律，对A煤矿薄煤层1 0 1 0 1综采工作面开采具有重要指导意义。参考文献：1 吴东.薄煤层综采工作面“三机”配套及装煤效果探讨 J.机械管理开发，2022，37(7)：80-81.2 王晋强.薄煤层综采工作面智能化开采技术研究 J.机械管理开发，2022，37(3)：280-281.3 霍海峰.薄煤层综采工作面防瓦斯防灭火综合技术 J.山西冶金，2022，45(1)：297-299.4 郭洪涛.缓倾斜薄煤层综采工作面矿压显现规律研究 J.能源与环保，2021，43(12)：310-313.5 赵立克，王建，金广清，等.伊泰集团薄煤层综采工作面智能化开采实践 J.中国煤炭，2021，47（增刊 1）：24-27.6 张兆海.极薄煤层综采工作面智能充填系统设计与应用 J.工矿自动化，2021，47(12)：114-120.7 苑林龙.薄煤层综采工作面智能化控制系统应用 J.能源与节能，2021(11)：184-185.（编辑：白洁）图 5 回采巷道表面移近量变化曲线图30 m 测点顶底板移近量20 m 测点顶底板移近量30 m 测点两帮移近量20 m 测点两帮移近量30 m 测点顶底板移近量20 m 测点顶底板移近量30 m 测点两帮移近量20 m 测点两帮移近量4035302520151052468246810 12 14 16 18 20 22 24 26 28 3010 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30距工作面距离/ma)回风巷距工作面距离/mb)运输巷累计变形量/mm0累计变形量/mm06050403020107 2