厚度不穩定煤層工作面阻力監測及支護效果分析

王 兵

(山西三元福達煤業,山西 長治 046000)

厚度不穩定煤層工作面阻力監測及支護效果分析

王 兵

(山西三元福達煤業,山西 長治 046000)

針對河南鶴煤十礦12采區1202工作面不穩定煤層工作面支架支護效果問題,通過經驗公式確定支架型號，進一步通過現場監測支架阻力以及支護效果,驗證工作面支架的安全性。結果表明:ZH2000/16/24F分體頂梁組合滑移液壓支架以及DW25-250/100型單體液壓柱適用于不穩定煤層工作面,工作面支架來壓較平緩工作狀態良好,保證了工作面的安全生產。

不穩定煤層;放頂煤;支架選型

到目前為止,不穩定煤層放頂煤開采技術仍然是采礦工程領域研究的重要課題,國內外依然沒有一種采煤方法完全適應各種不穩定煤層的放頂煤開采,無法實現安全生產和經濟效益的最佳效果[1-3]。鶴煤十礦12采區1202中工作面,煤厚1.86 m～7.45 m,平均煤厚4.01 m。本文主要針對該厚度不穩定煤層工作面支架進行研究,通過經驗公式確定支架型號,通過現場阻力監測確定其可行性。

1 工作面支架選型

1.1支架高度

由于二1煤層屬于厚度不穩定煤層,煤層厚度為1.8 m～7.48 m,為了使支架能夠更好地服務于整個煤層,對于薄煤層區域既要減少破頂范圍,提高采煤效率,也要盡量減少不放煤區域煤層厚度大于采高的頂煤損失量,按照以上原則并依據煤層厚度變化情況,初步確定二1煤炮采高度為2 m;1202中工作面煤層厚度平均4.01 m,根據工作面通風、行人、頂板管理、合理采放比及高產高效要求,選取工作面炮采高度為2 m,采放比約為1∶1.05。依據炮采高度,并考慮一定的備用系數,選用支架的支撐范圍為1.6 m～2.4 m。

1.2前探梁伸縮長度

由于工作面直接頂隨采隨冒,支護要及時,同時為了使采寬與放煤步距相協調,確定前探梁伸縮長度為0.8 m,恰好滿足一采一放、及時支護的要求。

1.3支護強度

支護強度主要取決于工作面頂板條件、煤層埋深和采高等因素,放頂煤工作面支架的支護強度不同于其他開采工作面的支架的支護強度[4],實踐證明放頂煤工作面的來壓強度要低于普通綜采工作面的來壓強度。根據高產高效的要求,結合鶴煤十礦已有的經驗,考慮一定的富余系數,取支架的支護強度QZ=0.8 MPa。

1.4工作阻力

液壓支架的工作阻力,是支架的主要參數之一,它代表了支架的支撐能力。當支架的支護強度確定后,根據配套尺寸,確定支架的頂梁長度和控頂距,就可以算出支架的工作阻力[4-6]。

P=QZ(LK+LD)B

P=800×(0.42+2.08)×0.84=1 680 kN.

式中：P為支架的工作阻力,kN;QZ為支架的支護強度,kN/m2;LK為前探伸縮梁探出長度,m;LD為頂梁長度,m;B為支架中心距,m。依照上述計算參數,選擇滑移支架型號為ZH2000/16/24F的分體頂梁組合滑移液壓支架,除滑移支架外,在工作面兩端頭還要有單體支柱進行配合使用,選擇型號為DW25-250/100型單體液壓柱,最大高度為2.50 m,最小高度為1.70 m,工作行程0.8 m,額定工作阻力250 kN,支柱重量58 kg。

2 支架阻力觀測及分析

支架支柱阻力觀測沿工作面均勻布置6條測線,如工作面變短,可適當減少測線數目,每個測線下的第一排支柱上安設圓圖壓力自記儀,用以記錄支柱的循環壓力變化。在支架第5組、19組、37組、57組、73組和75組布置側線。

超前工作面50 m、70 m,在兩個鉆場內布置兩個測站,在兩個測站內分別各打5鉆孔,鉆孔平行于工作面方向,傾角為26°,每孔內布置1臺KSE-Ⅱ-1型鉆孔應力計，鉆孔高度距底板1.7 m。實測時,根據工作面推進情況安排觀測工作。每天觀測1次,30 m以內時每天早、中班分別觀測1次,并作記錄。超前支承壓力在距離工作面40 m處的鉆場布置觀測點。

2.1工作面下部頂板來壓規律

圖1、圖2、圖3分別表示1202中工作面下部19#支架的初撐力、循環末工作阻力、時間加權工作阻力與工作面推進距離的關系。19#支架初撐力平均值為858 kN,占滑移支架額定初撐力(1 545 kN)的55.53%;支架平均循環末阻力為1 265 kN,占額定工作阻力(2 000kN)的63.25%;支架平均時間加權工作阻力為1 099 kN,占額定工作阻力的54.95%。

圖1 19#架初撐力與推進距離關系 Fig.1 Relation between setting load and advancing distance of No.19 support

圖2 19#架循環末阻力與推進距離關系Fig.2 Relation between resistance after loop and advancing distance of No.19 support

圖3 19#架時間加權工作阻力與推進距離關系Fig.3 Relation between time weighted working resistance and advancing distance of No.19 support

由圖1到圖3可知,在觀測期間19#支架共來壓4次,來壓步距最大27 m,最小9 m,平均19 m;影響范圍最大2.4 m,最小0.6 m,平均1.4 m。來壓期間初撐力為1 145 kN,占額定初撐力的74.1%;來壓期間循環末阻力為1 685.56 kN,占額定工作阻力的84.25%;來壓期間時間加權工作阻力為1 479.32 kN,占額定工作阻力的73.95%。非來壓期間初撐力為820.55 kN,占支架額定初撐力的41.03%;非來壓期間循環末阻力1 347.22 kN,占額定工作阻力的67.36%;非來壓期間時間加權工作阻力為1 045.55 kN,占額定工作阻力的52.27%。由此可知,來壓期間的動壓載荷系數分別為:Kt=1.25、Km=1.42。從以上分析可以看出,1202中工作面19#支架來壓較平緩,支架工作狀態良好。

2.2工作面中部頂板來壓規律

圖4、圖5和圖6分別表示1202中工作面中部57#支架的初撐力、循環末工作阻力、時間加權工作阻力與工作面推進距離的關系。

圖4 57#架初撐力與推進距離關系 Fig.4 Relation between setting load and advancing distance of No.57 support

圖5 57#架循環末阻力與推進距離關系Fig.5 Relation between resistance after loop and advancing distance of No.57 support

圖6 57#架時間加權工作阻力與推進距離關系Fig.6 Relation between time weighted working resistance and advancing distance of No.57 support

57#支架初撐力平均值為917 kN,占滑移支架額定初撐力(1 545 kN)的59.35%;支架平均循環末阻力為1 498 kN,占額定工作阻力(2 000 kN)的72.9%;支架平均時間加權工作阻力為1 207 kN,占額定工作阻力的60.4%。由圖4到圖6可知,在觀測期間57#支架共來壓兩次,來壓步距最大17 m,最小10 m,平均13.5 m;影響范圍最大2 m,最小0.8 m,平均1.4 m。來壓期間初撐力為1 287.56 kN,占額定初撐力的83.33%;來壓期間循環末阻力為1 771 kN,占額定工作阻力的88.56%;來壓期間時間加權工作阻力為1 662 kN,占額定工作阻力的83.11%。非來壓期間初撐力為842.22 kN,占支架額定初撐力的54.51%;非來壓期間循環末阻力1 400 kN,占額定工作阻力的70%;非來壓期間時間加權工作阻力為1 071.94 kN,占額定工作阻力的53.59%。由此可知,來壓期間的動壓載荷系數分別為:Kt=1.27、Km=1.55。從以上分析可以看出,1202中工作面57#支架來壓較平緩,支架工作狀態良好。

2.3工作面上部頂板來壓規律

1202中工作面上部75#支架的初撐力、循環末工作阻力、時間加權工作阻力與工作面推進距離的關系。由觀察可知,在觀測期間75#支架共來壓3次,來壓步距最大19 m,最小12 m,平均15.5 m;影響范圍最大4 m,最小0.6 m,平均2.3 m。來壓期間初撐力為1 124 kN,占額定初撐力的72.89%;來壓期間循環末阻力為1 569.9 kN,占額定工作阻力的78.49%;來壓期間時間加權工作阻力為1 501.39 kN,占額定工作阻力的75.07%。非來壓期間初撐力為965.62 kN,占支架額定初撐力的62.5%;非來壓期間循環末阻力1 378.5 kN,占額定工作阻力的68.92%;非來壓期間時間加權工作阻力為1 310 kN,占額定工作阻力的65.53%。由此可知,來壓期間的動壓載荷系數分別為:Kt=1.14、Km=1.15。從以上分析可以看出,1202中工作面75#支架來壓較平緩,支架工作狀態良好。

3 工作面支架整體支護效果分析

在工作面推進過程中,支架的工作阻力反映了頂板來壓情況及其支架對工作面的適應情況。要使支架被合理利用,發揮其良好的支護效果,要針對工作面不同位置支架支護狀態做出統計,對現今工作面支架存在的不合理性提出修改建議,以達到最佳支架利用和獲得良好的支護效果。圖7和圖8為統計分析得到的工作面不同部位支架支護阻力(循環末阻力、時間加權阻力)頻率分布直方圖。

7-a 循環末工作阻力

7-b 時間加權工作阻力圖7 工作面下部19#支架Fig.7 No.19 support in the lower part of working face

由圖7和圖8可知,19#、57#、75#支架循環末工作阻力處于支架額定工作阻力40%～80%的比例分別為90%、39%和63%;大于支架額定工作阻力80%比例分別為9%、18%和37%,最大值分別為1 745 kN、1 933 kN、1 732 kN,占額定工作阻力的87%、96.6%和86.6%。未檢測到超過支架額定工作阻力的數據。19#、57#、75#支架加權工作阻力處于支架額定工作阻力40%～80%的比例分別為91%、82%、和97%;大于支架額定工作阻力80%比例分別為1%、8%和3%,最大值分別為1 631 kN、1 650 kN、1 622 kN,占額定工作阻力的81.6%、82.5%和81.1%。由以上分析可知,工作面支架利用率大,在支護過程中支架有較好的富余系數,可以對工作面進行良好的支撐。

8-a 循環末工作阻力

8-b 時間加權工作阻力圖8 工作面中部57#支架Fig.8 No.57 support in the middle part of working face

4 結論

針對不穩定工作面支架選取問題,確定了ZH2000/16/24F分體頂梁組合滑移液壓支架以及DW25-250/100型單體液壓柱適合該工作面;進一步通過現場監測支架阻力,來壓較平緩,工作面支架利用率大,在支護過程中支架有較好的富余系數,可以對工作面進行良好的支撐,保證了工作面的安全生產,可以為相似案例提供參考。

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ResistanceMonitoringandSupportingEffectofWorkingFaceinCoalSeamwithUnstableThickness

WANGBing

(SanyuanFudaMiningCo.,Ltd.,Changzhi046000,China)

Aiming at supporting effect of 1202 working face in unstable coal seam in No.12 mining area,No.10 Mine,Hebi Coal Group,an empirical formula was used to determine the type of the support.Further field supervision on supporting resistance and effect verified the safety of the support in the working face.The results show that ZH2000/16/24F sliding hydraulic support with split beams and DW25-250/100 single hydraulic columns are suitable for the unstable coal seam.Good working condition with smooth weighting could ensure the safe production of the working face.

unstable coal seam; top coal; support selection

1672-5050(2017)04-0007-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.08.003

2017-05-26

王兵(1979-),男,山西長治人,本科,助理工程師,從事煤礦采掘、支護工作。

TD326

A

(編輯:楊 鵬)