崔 陽

(太原煤炭氣化(集團)有限責(zé)任公司,山西 太原 030006)

隨著煤礦科學(xué)技術(shù)水平的不斷進步,礦井機械化水平明顯提升,綜采工作面液壓支架工作阻力大幅提高,設(shè)備性能以及功能愈加豐富,提高了工作面開采效率。目前,由于礦井開采地質(zhì)條件的復(fù)雜化,工作面礦壓顯現(xiàn)特征變化較大,導(dǎo)致開采設(shè)備的開采適應(yīng)性差,影響工作面的安全生產(chǎn)[1-3]。為確保綜采工作面開采過程中的安全性與穩(wěn)定性,研究人員對綜采工作面液壓支架適應(yīng)性進行了大量研究。秦忠誠等[4]分析了孤島工作面礦壓特征的疊加效應(yīng),采用現(xiàn)場觀測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對液壓支架適應(yīng)性進行了研究;李揚等[5]建立了特厚煤層近遠場覆巖結(jié)構(gòu)模型,確定了液壓支架工作阻力計算方法,揭示了頂板堅硬巖層失穩(wěn)是工作面礦壓顯現(xiàn)的關(guān)鍵因素;張杰等[6]通過相似模擬試驗研究了極近距離煤層溝谷地形的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,并對不同階段下的礦壓特征進行了實測分析,驗證了工作面支架的合理性。本文以中能煤業(yè)3305工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ),對沿空留巷工作面礦壓顯現(xiàn)特征進行了實測分析,并驗證了重型放頂煤支架適應(yīng)性,研究結(jié)果對礦井相似條件工作面開采具有借鑒意義。

1 工程概況

中能煤礦3305工作面開采煤層為3號煤,煤層厚度平均為5.2 m,傾角平均為5°,工作面頂板巖層為泥巖、中砂巖,底板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖,頂?shù)装逯鶢钊鐖D1所示。3305工作面北面為采區(qū)大巷,南面為采區(qū)邊界,采用三巷布置方式,其中33051巷沿相鄰3303工作面采空區(qū)留設(shè)8 m小煤柱掘巷形成,巷道斷面寬×高=5.0 m×3.5 m,3305工作面傾斜長度為210 m,推進長度為1 564 m.工作面采用放頂煤開采方式,采高為3 m,放煤高度為2.2 m,液壓支架型號為ZY15000/30/67D,采用全部垮落法處理采空區(qū)頂板,工作面內(nèi)共安裝支架120套。由于工作面頂板內(nèi)中砂巖巖層厚度大,在33051巷采用深孔爆破預(yù)裂頂板,從而減小采空區(qū)懸頂面積。

2 礦壓規(guī)律實測研究

為監(jiān)測沿空掘巷工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,主要對回采過程中的采場礦壓顯現(xiàn)特征以及沿空巷道圍巖變形特征進行監(jiān)測分析。在支架內(nèi)安裝工作阻力測站,每隔10架安裝1臺,共安設(shè)12臺測站,其中1～4號測站監(jiān)測工作面上部區(qū)域(機頭區(qū)域),5～8號監(jiān)測工作面中部區(qū)域(工作面51～90號液壓支架區(qū)域),9～12號監(jiān)測工作面下部區(qū)域(機尾區(qū)域)。此外在33051巷超前工作面100 m處布設(shè)1個圍巖變形監(jiān)測測站,監(jiān)測回采過程中巷道圍巖的變形情況。

1) 采場礦壓顯現(xiàn)特征。3305工作面于2022年12月開始回采,截止2023年1月,工作面共回采220 m,取各區(qū)域支架工作阻力平均值進行分析。圖2 為回采過程中不同區(qū)域液壓支架工作阻力變化曲線圖。

圖2 液壓支架工作阻力曲線圖

從圖中可以看出,工作面上部(小煤柱側(cè))推進至25.3 m時支架工作阻力明顯增大,由10 000 kN達到13 000 kN以上,表明此區(qū)域開始來壓;工作面中部推進至32.5 m時支架工作阻力明顯增大,由9 500 kN達到13 000 kN以上,表明此區(qū)域開始來壓;工作面下部推進至33.9 m時支架工作阻力明顯增大,由9 000 kN達到13 400 kN以上,表明此區(qū)域開始來壓。工作面初次來壓步距平均為30.6 m,動載系數(shù)在1.33～1.52范圍內(nèi)。初次來壓后,在工作面推進至200 m范圍內(nèi),上部區(qū)域發(fā)生周期來壓10次,來壓步距平均為16.5 m;中部區(qū)域發(fā)生周期來壓9次,來壓步距平均為21.4 m;下部區(qū)域發(fā)生周期來壓步距8次,周期來壓步距平均為22.3 m.

根據(jù)上述結(jié)果,沿空掘巷工作面在不同區(qū)域來壓步距相差較大,沿空掘巷側(cè)由于頂板受到二次回采影響,初次來壓步距以及周期來壓步距明顯小于其他區(qū)域,但各區(qū)域來壓時工作阻力相差較小,動載系數(shù)基本相同。

2) 沿空掘巷圍巖變形特征。圖3為回采過程中33051巷圍巖變形曲線圖。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,33051巷圍巖變形量隨著與工作面距離的減小而逐漸增大,當(dāng)工作面推進至距測站60 m時,圍巖變形速度明顯增快,巷道頂?shù)装逡平孔畲鬄?68 mm,其中頂板下沉量為146 mm,底鼓量為522 mm,變形以底鼓為主,頂板未出現(xiàn)冒頂?shù)惹闆r;兩幫變形量最大為275 mm,未出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。由于33051巷沿煤層頂板掘進,因此回采期間巷道變形以底鼓為主,需采取措施保證巷道高度,頂板與兩幫圍巖相對穩(wěn)定,變形量在可控范圍內(nèi)。

圖3 圍巖變形曲線圖

3 支架適應(yīng)性分析

1) 工作阻力分析。為保證3305工作面支架選型的合理性,采用方差分析法確定支架額定工作阻力,其計算公式為:

圖4為工作面回采過程中支架工作阻力區(qū)間分布圖?？梢钥闯?工作阻力多分布在9 000～13 000 kN范圍內(nèi),占比達到96%,并且未出現(xiàn)超過14 000 kN的情況,因此該型號支架能夠滿足使用需求。

圖4 支架工作阻力區(qū)間分布圖

2) 初撐力分析。對12個測站支架的初撐力進行統(tǒng)計,去其平均值進行分析。由圖5可知,12個測站支架初撐力在9 000～10 000 kN范圍內(nèi),工作面液壓支架型號為ZY15000/30/67D,其額定初撐力為12 000 kN,所有測站均無法達到額定初撐力。按照額定初撐力的80%進行計算,符合初撐力要求的支架占比為58.3%.該結(jié)果表明,工作面回采過程中初撐力均較小,不利于工作面頂板穩(wěn)定,限制了支架性能發(fā)揮。

圖5 液壓支架初撐力曲線圖

4 結(jié) 語

文章以中能煤業(yè)3305工作面地質(zhì)條件為背景,采用現(xiàn)場實測方法,對沿空掘巷綜放工作面礦壓顯現(xiàn)特征與支架適應(yīng)性進行了研究,結(jié)論如下:

1) 沿空掘巷工作面在不同區(qū)域來壓步距相差較大,沿空掘巷側(cè)由于頂板受到二次回采影響,初次來壓步距以及周期來壓步距明顯小于其他區(qū)域,但各區(qū)域來壓時工作阻力相差較小,動載系數(shù)基本相同。

2) 沿空掘巷圍巖變形量隨著與工作面距離的減小而逐漸增大,當(dāng)工作面推進至距測站60 m時,圍巖變形速度明顯增快,巷道變形以底鼓為主,頂板與兩幫圍巖相對穩(wěn)定,變形量在可控范圍內(nèi),可滿足安全生產(chǎn)要求。

3) 統(tǒng)計分析了液壓支架工作阻力與初撐力的分布情況,支架工作阻力多分布在9 000～13 000 kN范圍內(nèi),未超過額定工作阻力,支架初撐力較小,需采取措施提高初撐力。ZY15000/30/67D型液壓支架能夠適應(yīng)工作面的正常生產(chǎn),滿足安全生產(chǎn)要求。