燕子山礦放頂煤工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析及應(yīng)用

張永 楊勇

燕子山礦現(xiàn)侏羅系資源枯竭，工作面已全部轉(zhuǎn)入石炭系，設(shè)備也全部更換，因缺乏石炭系礦壓觀測資料和管理經(jīng)驗(yàn)，首個放頂煤工作面，支架選型偏小，以及施工隊(duì)組對放煤工藝不熟悉、對礦壓管理不重視，導(dǎo)致自2014年10月份起燕子山礦首個放頂煤工作面8216推進(jìn)600米后，ZF10000支架與工作面生產(chǎn)條件不相適應(yīng)，經(jīng)四次大面積頂板來壓后，支架頂梁、掩護(hù)梁等構(gòu)件陸續(xù)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞的現(xiàn)象，見圖1。本文通過分析燕子山礦4#層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對支架重新進(jìn)行選型，加強(qiáng)初撐力管理等措施，保證了后續(xù)工作面的順利回采。

圖1 支架壓架和損壞

1 工作面概況

4#302盤區(qū)煤層厚度6.5 m～8.5 m，平均7.95 m，傾角0～4°，平均3°，含0～4層夾矸，蓋山厚度400 m～430 m。盤區(qū)工作面老頂厚28 m～47 m，巖性為粗、細(xì)、粉粒砂巖、高嶺巖，直接頂厚7 m～12 m，巖性高嶺巖、中、細(xì)粒砂巖、粉砂巖，直接底2.5 m～7.2 m，巖性粉砂巖、高嶺巖、砂質(zhì)泥巖。4#層地層綜合柱狀圖如圖2所示。

圖2 地層綜合柱狀

2 首采面礦壓觀測及分析

2.1 礦壓監(jiān)測方式

首采面自回采起，工作面支架均安裝YHY-60型礦壓表，同時(shí)每隔10架布置1塊KJ216-F型頂板壓力監(jiān)測分站，監(jiān)測分站數(shù)據(jù)通過專用電纜傳送至KJ216-F2監(jiān)測分站，及KJ216-Z主站，主站經(jīng)電話線將井下的數(shù)據(jù)信號傳送至地面接收主機(jī)(KJ216-J礦壓數(shù)據(jù)通訊接口)，實(shí)現(xiàn)礦壓數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

2.2 礦壓顯現(xiàn)特征

（1）初次和周期來壓時(shí)，老頂發(fā)生斷裂，頂板迅速下沉，支架壓力迅速增大，當(dāng)壓力達(dá)到支架的額定工作阻力后，安全閥開啟卸液，支架立柱行程縮短，嚴(yán)重時(shí)，造成支架無行程，即出現(xiàn)支架“壓死”情況。

（2）來壓時(shí)支架頂板破碎，支架接頂不嚴(yán)，背矸嚴(yán)重，初撐力達(dá)不到要求，進(jìn)而易導(dǎo)致支架傾斜，影響工作面的正常推進(jìn)。

（3）來壓嚴(yán)重時(shí)，機(jī)道頂板同樣發(fā)生破碎，超出支架前探梁及護(hù)幫板的支護(hù)范圍時(shí)，則易發(fā)生頂板竄煤、漏頂事故，造成采煤機(jī)組、刮板輸送機(jī)損壞及人員傷亡等。

2.3 數(shù)據(jù)分析

通過首采工作面從初采至回采結(jié)束連續(xù)將近1年的礦壓實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，得出首采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

2.3.1 來壓步距

初采時(shí)，推出切眼支護(hù)范圍時(shí)（約推進(jìn)9m后），頂煤開始垮落，推進(jìn)至15 m～20 m時(shí)，直接頂開始垮落，至推進(jìn)至55 m～65 m時(shí)，老頂垮落，即老頂初次來壓步距為55 m～65 m之間，周期來壓步距一般在35 m～45 m之間，來壓規(guī)律、明顯。具體數(shù)據(jù)如圖所示。

圖3 首采面各監(jiān)測點(diǎn)來壓步距

2.3.2 動載系數(shù)

（1）正常時(shí)，支架壓力均保持在24 MPa～27 MPa之間，通過對首采面前20次來壓統(tǒng)計(jì)，各監(jiān)測點(diǎn)來壓的平均壓力，如表所示，中部30#～70#架來壓壓力大，平均可達(dá)40 MPa，工作面兩頭，10#～20#架、80#～90#架來壓壓力較小，一般在35 MPa以下。

根據(jù)礦壓觀察數(shù)據(jù)記錄計(jì)算，動載系數(shù)一般在1.5～1.7之間，平均1.6。

圖4 首采面各監(jiān)測點(diǎn)來壓壓力

2.3.3 安全閥開啟統(tǒng)計(jì)

圖5 首采面各監(jiān)測點(diǎn)來壓安全閥開啟率

首采面自初次來壓起安全開啟頻繁，初次來壓時(shí)30#～70#架安全均開啟，開啟率達(dá)到安全閥總數(shù)的45%，中部40#～50#、60#～70#架出現(xiàn)支架壓死情況，根據(jù)礦壓觀測工記錄，每次周期來壓安全閥開啟率26%～36%之間，安全閥開啟頻繁，且支架出現(xiàn)“壓死”次數(shù)頻繁。

3 支架支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算

按現(xiàn)行較通用的巖石容重法公式計(jì)算支架的動載支護(hù)強(qiáng)度

式中：

q-支架的動載支護(hù)強(qiáng)度，kN∕m2；

kd-動載系數(shù)，根據(jù)首采面礦壓觀測情況取1.6；

M-一次采厚6.6 m，(放頂煤采厚7.95 m×回采率0.83)；

Kp-上覆冒落帶巖石碎脹系數(shù)，取1.3；

γ-頂板巖石平均容重，取25 kN∕m3。

按照上式計(jì)算：首采面支架的動載支護(hù)強(qiáng)度為880 kN∕m2。

ZF10000支架，支架寬1.5 m，有效控頂距長6.37 m，額定支護(hù)強(qiáng)度為1 046 kN∕m2，實(shí)際支架工作阻力在額定工作阻力84.1%，科學(xué)合理的支架工作阻力應(yīng)在額定工作阻力的60%～80%之間，理論驗(yàn)算和支架實(shí)際使用情況均證明4#層首采面采用ZF10000支架對其生產(chǎn)條件來說，選型偏小。

4 支架重新選型及應(yīng)用

在燕子山礦第2個工作面8218穩(wěn)裝前，特重新進(jìn)行支架選型，ZF12000支架，支架寬1.5 m，有效控頂距長5 980 mm，額定支護(hù)強(qiáng)度為1 338 kN∕m2，結(jié)合我礦4#層礦壓顯現(xiàn)情況，通過理論計(jì)算，在4#層生產(chǎn)條件下，該支架工作阻力達(dá)到額定工作阻力65.8%。

該礦更換ZF12000支架后，已順利回采8218及8214兩個放頂煤工作面，現(xiàn)正在回采8212工作面，未出現(xiàn)任何支架嚴(yán)重?fù)p壞情況。理論與實(shí)踐均表明ZF12000支架對4#層放頂煤生產(chǎn)條件適應(yīng)性較好。

5 結(jié)論

（1）合格的初撐力，能夠維護(hù)頂板完整，保證老頂?shù)捻樌茢啵ＷC周期來壓正常、規(guī)律。

現(xiàn)場觀測及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在保證初撐力合格的前提下，推進(jìn)約3 m～5 m的距離即可通過周期來壓。但若初撐力合格較低時(shí)，即使未達(dá)到周期來壓步距，也會導(dǎo)致頂板來壓。

（2）工作面布置成偽斜，可使工作面來壓由大面積來壓逐步轉(zhuǎn)向分段來壓。如8218回采期間，頭尾采位差經(jīng)常會達(dá)到約15 m以上，此時(shí)工作面來壓明顯可分為上、中、下三段來壓。

（3）在工作面保持正常的推進(jìn)速度時(shí)，周期來壓規(guī)律、明顯，當(dāng)工作面推進(jìn)速度減慢時(shí)，老頂下沉對支架的作用時(shí)間加長、壓力加大，增加頂板管理難度。當(dāng)工作面推進(jìn)速度加快時(shí)，老頂下沉相對作用于支架時(shí)間、壓力均會減小，有利于頂板管理。