郝貴林

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)北辛窯煤業(yè)有限公司 山西 忻州 036700）

1 引言

我國煤炭資源豐富，分布范圍也較廣，并且為國民經(jīng)濟(jì)中最重要的化石能源。在煤炭的分類中，通常將煤層厚度大于8 m 的煤層定義為特厚煤層，采用分層開采或放頂煤開采的方法[1]。由于分層開采的采出率較低，存在布置頂?shù)拙W(wǎng)等繁雜的工序，且開拓的各類巷道較多，生產(chǎn)系統(tǒng)較為冗雜[2-3]。相比之下，放頂煤開采則可一次性采出更厚的煤層，回采巷道的掘進(jìn)量也小，工作面的回采率較高，因此我國特厚煤層主要采用放頂煤的開采方法[4]。然而，由于放頂煤開采時采高較高，頂?shù)装逅艿牟蓜佑绊戄^為劇烈，液壓支架安全閥時常開啟，礦壓規(guī)律也相應(yīng)地變得更加復(fù)雜。所以，研究特厚煤層綜放開采時的頂板來壓步距與礦壓規(guī)律對于工作面的安全生產(chǎn)和正?；夭删哂袠O重要的意義[5]。本文以北辛窯煤礦8405 工作面為依托，借助理論分析計(jì)算了直接頂和老頂?shù)膩韷翰骄?。并對開采期間液壓支架的工作阻力示數(shù)進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)測，通過液壓支架的受力變化過程進(jìn)一步驗(yàn)證并分析了頂板的初次來壓和周期來壓步距，同時采用液壓支架的初撐力、循環(huán)末阻力對特厚煤層的礦壓規(guī)律進(jìn)行了探討。以期為綜放開采礦壓規(guī)律的研究提供一定的指導(dǎo)，為實(shí)現(xiàn)煤炭的高產(chǎn)高效奠定基礎(chǔ)。

2 礦井概況

北辛窯煤礦位于山西忻州寧武縣,交通運(yùn)輸較為便利，鐵路和公路均與礦區(qū)毗鄰。井田面積約為12.57 km2，可采煤層累積儲量約為2 300 萬t。目前主要開采2#煤層，煤層厚度為5.78 m～11.24 m，平均煤厚為9.26 m，煤層為近水平煤層，傾角為2.5°～8°，煤層節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜?，F(xiàn)開采的8405工作面走向和傾向長度分別為1 650 m、180 m，傾角為2.9°～4.8°。工作面的綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 工作面綜合柱狀圖

3 頂板來壓步距分析

開采時，直接頂和老頂?shù)某醮蝸韷翰骄啵?/p>

式中：lc是直接頂?shù)某醮蝸韷翰骄?，m；lc是直接頂?shù)暮穸龋琺；σ1是瑝斑巖的抗拉強(qiáng)度，MPa；q是支架所承受直接頂?shù)暮奢d，kN。lj是老頂?shù)某醮蝸韷翰骄?，m；h2是老頂?shù)暮穸?，m；σ2是粗粒砂巖的抗拉強(qiáng)度，MPa；q是支架所承受老頂?shù)妮d荷，kN。

在北辛窯煤礦，頂板巖石的抗拉強(qiáng)度為2.65 MPa，頂板巖石的容重為2.5×103 kg/m3，代入式（1）可計(jì)算求得直接頂?shù)膩韷翰骄酁?2.1 m。粗粒砂巖的抗拉強(qiáng)度為2.7 MPa，粗粒砂巖的容重為2.5×103kg/m3，代入式（2）可計(jì)算求得老頂?shù)膩韷翰骄酁?7.8 m。

而直接頂和老頂?shù)闹芷趤韷翰骄嗫刹捎靡韵鹿接?jì)算：

因此，通過計(jì)算可得lz=9.0 m，lzj=19.5 m。

由北辛窯煤礦已開采完畢的8103 工作面液壓支架的示數(shù)統(tǒng)計(jì)及頂板來壓的規(guī)律進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，沿著煤層走向長度方向，直接頂不斷冒落，基本頂?shù)闹芷趤韷狠^為顯著。因此，根據(jù)上述有關(guān)直接頂和老頂來壓步距的計(jì)算結(jié)果，可以推測：8405 工作面直接頂和老頂初次來壓步距為22.1 m 和47.8 m，周期來壓步距分別為9 m和19.5 m。

4 礦壓顯現(xiàn)分析

北辛窯礦8405 工作面采用綜合放頂煤的開采方法，工作面長度為180 m，液壓支架中心距為1.75 m，共布置103架液壓支架。其中在工作面兩端頭分別布置5 架支掩式過渡支架，型號為ZFG15000/33/50；在中部布置93 架支掩式液壓支架，型號為ZF13000/33/50。同時在液壓支架的立柱上放置立柱的壓力測量設(shè)備，實(shí)時觀測液壓支架在煤層開采中的受力情況。開采時，按照滾筒采煤機(jī)的割煤方向?qū)σ簤褐Ъ苓M(jìn)行編號，對工作面液壓支架的運(yùn)行姿態(tài)和示數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。為了使數(shù)據(jù)具有代表性且易處理，現(xiàn)從2 號支架開始每隔10架設(shè)置為液壓支架工作阻力監(jiān)測點(diǎn)，即在支架編號為2、12、22、32、42、52、62、72、82、92、102 設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，共計(jì)11個。利用不同位置的液壓支架示數(shù)對開采區(qū)域的礦山壓力變化規(guī)律進(jìn)行分析。

4.1 老頂來壓分析

煤層頂板周期來壓通常采用液壓支架循環(huán)末阻力的平均值和均方差的累加值來表示。由已有的老頂來壓理論可得，老頂周期來壓公式為：

式中：py是老頂來壓期間支架的壓力值；pz是液壓支架循環(huán)末阻力的平均值；σz是液壓支架循環(huán)末阻力的均方差。

液壓支架監(jiān)測裝置自動實(shí)時收集了所有周期的循環(huán)末阻力數(shù)值，現(xiàn)選取最近三個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，對工作面推進(jìn)度從20 m 到295 m 的階段進(jìn)行分析。選取開采期間液壓支架在循環(huán)推進(jìn)時的末阻力變化情況，下面以52#支架為例繪制支架末阻力與推進(jìn)度之間的關(guān)系圖，如圖2所示。

圖2 52#支架的循環(huán)末阻力變化情況

由圖2 及支架循環(huán)末阻力的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：開采時初次來壓的步距范圍大約是46.5 m到50.3 m之間，平均為48.4 m。在此期間，監(jiān)測點(diǎn)各液壓支架的循環(huán)末阻力為9 031.4 kN，是此批液壓支架設(shè)計(jì)工作阻力的75.26%。隨著開采的進(jìn)行，老頂出現(xiàn)了21次周期來壓，其步距在18.2 m 左右，范圍大約是12.6 m 至23.7 m，浮動較為明顯。在以上來壓監(jiān)測期間，老頂?shù)膭虞d系數(shù)變化范圍從1.15到3.24，均值為1.68。

4.2 液壓支架受力分析

根據(jù)監(jiān)測得到的液壓支架行走時受力的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)在工作面推進(jìn)過程中支架的初撐力及循環(huán)末阻力，剔除由于設(shè)備損壞和不穩(wěn)定而造成監(jiān)測數(shù)據(jù)較少的22#、72#、82#支架監(jiān)測數(shù)據(jù)，其余支架的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如下表。

通過表1 的監(jiān)測值可以看出：液壓支架的初撐力在3 168 kN～3 517 kN，為額定初撐力的40.02%～44.42%；初撐力的平均值為3 351 kN，相當(dāng)于是額定值的42.33%，屬于較小的數(shù)值。液壓支架的循環(huán)末阻力在6 198 kN～6 648 kN，為額定值的51.65%～55.13%；平均值為6 454 kN，相當(dāng)于是額定值的53.79%，說明有較大的富余量。而液壓支架的最大循環(huán)末阻力卻在11 068 kN～11 544 kN，占到了額定初撐力的90%以上，甚至達(dá)到了96.2%。體現(xiàn)了開采時液壓支架的示數(shù)雖小，然而出現(xiàn)來壓時，液壓支架受力急劇增加，也恰好與上節(jié)來壓時較大的動載系數(shù)相吻合。

表1 液壓支架初撐力和循環(huán)末阻力監(jiān)測值

4.3 支架示數(shù)的頻率分布

通過統(tǒng)計(jì)開采期間各個液壓支架的示數(shù)，現(xiàn)在以1 500 kN 為分度值進(jìn)行示數(shù)的區(qū)間統(tǒng)計(jì)，最終折合成百分占比如表2所示。

表2 液壓支架工作阻力的百分占比

同樣，下面以52#支架為例繪制支架工作阻力占比的頻率分布圖，如圖3所示。

圖3 52#液壓支架工作阻力頻率分布圖

由表2和圖3可以看出：工作面液壓支架的工作阻力示數(shù)為正態(tài)形分布，且處于較低工作阻力的次數(shù)和時間較多。工作阻力主要集中在3 000 kN～9 000 kN，處于大于9 000 kN的工作阻力分布頻率較低。

5 結(jié)論

當(dāng)特厚煤層采用綜采放頂煤的開采方法時，煤層頂板覆巖的運(yùn)移規(guī)律較為復(fù)雜，工作面礦壓顯現(xiàn)較為明顯。本文通過理論計(jì)算得到了北辛窯煤礦8405 工作面老頂?shù)某醮蝸韷杭爸芷趤韷翰骄喾謩e為47.8 m和19.5 m，通過對工作面液壓支架的工作阻力值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到了工作面的來壓步距、支架初撐力和循環(huán)末阻力的分布情況、工作阻力集中的范圍，其中初次來壓及周期來壓步距分別為48.4 m和18.2 m。由于理論計(jì)算存在對現(xiàn)場實(shí)際開采情況的適當(dāng)簡化，且實(shí)際頂板是非均質(zhì)性巖體，導(dǎo)致理論計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場工程實(shí)測存在較小的偏差，但理論計(jì)算結(jié)果仍可用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。