特厚煤層采場(chǎng)頂板運(yùn)移及礦壓特征的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究

劉德增

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 035300)

引 言

在我國(guó)，煤炭資源儲(chǔ)量的20%以及煤炭資源年產(chǎn)量的10%為特厚煤層，可見(jiàn)，特厚煤層在煤炭資源儲(chǔ)量中占有不可或缺的地位。隨著地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的淺部近水平煤層的不斷開采，其資源幾近枯竭，許多礦井面臨著不得不開采復(fù)雜條件下賦存的煤炭資源的問(wèn)題，特厚煤層的開采就是急需解決的問(wèn)題之一，在保證特厚煤層工作面穩(wěn)定的前提下盡可能地提高煤炭資源回收率，可以實(shí)現(xiàn)資源高效安全的開發(fā)以及礦井的可持續(xù)化[1-2]。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行特厚煤層采場(chǎng)頂板運(yùn)移特征以及礦壓規(guī)律的研究，從而系統(tǒng)地分析特厚煤層工作面的采場(chǎng)采動(dòng)情況。

1 礦壓觀測(cè)布置

對(duì)山西某煤礦特厚煤層工作面進(jìn)行礦壓觀測(cè)，其目的在于分析采場(chǎng)頂板隨工作面開挖的破裂規(guī)律以及礦壓變化特征，超前支撐壓力的動(dòng)態(tài)變化特征；探索有效管理頂板的措施，從而保證工作面的安全高效生產(chǎn)；通過(guò)監(jiān)測(cè)支架阻力來(lái)分析支架對(duì)工作面的有效適應(yīng)性；通過(guò)分析回采工作面的來(lái)壓參數(shù)和步距來(lái)確定支架合理的初撐力和阻力[3]。

選用液壓支架應(yīng)根據(jù)頂板和底板的巖性確定架型和支護(hù)強(qiáng)度，根據(jù)煤層的最大開采高度確定支架的支撐高度。而且，液壓支架要與工作面采煤機(jī)以及輸送機(jī)等采掘設(shè)備相匹配，液壓支架寬度要與輸送機(jī)中部槽長(zhǎng)度相一致；另一方面，移架速度也要與采煤機(jī)的割煤速率相適應(yīng)。該1604工作面采煤機(jī)割煤高度為2.4 m，采場(chǎng)支護(hù)方式為及時(shí)支護(hù)。對(duì)1604工作面進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)時(shí)需在工作面布置19個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀，分別布置在19個(gè)液壓支架上。通過(guò)對(duì)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析可得到采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。具體監(jiān)測(cè)布置示意圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 采場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)布置示意圖

2 礦壓觀測(cè)結(jié)果分析

在19個(gè)支架阻力檢測(cè)儀中選擇151#、171#和191#支架作為采場(chǎng)的上部測(cè)站，編號(hào)為III；選擇81#、101#和121#支架作為采場(chǎng)的中部測(cè)站，編號(hào)為II；選擇11#、31#和51#支架作為采場(chǎng)的下部測(cè)站，編號(hào)為I。液壓支架阻力的加權(quán)值可以更好地反映采場(chǎng)頂板來(lái)壓狀況。在采場(chǎng)頂板周期來(lái)壓期間，支架所受載荷會(huì)增大，故通過(guò)對(duì)支架受載情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)進(jìn)而統(tǒng)計(jì)分析，可以判斷頂板來(lái)壓情況。開始進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作時(shí)，工作面已經(jīng)開采了300 m，由于采場(chǎng)上部測(cè)站的151#和191#支架與覆巖接觸不好，所采集的數(shù)據(jù)誤差較大，故圖2a)～圖2g)表示了工作面繼續(xù)推進(jìn)過(guò)程中其余7臺(tái)支架所受載荷變化特征。

從圖2中各個(gè)測(cè)站采集到的支架受載特征均可得到采場(chǎng)老頂?shù)闹芷趤?lái)壓。表1為統(tǒng)計(jì)的采場(chǎng)頂板來(lái)壓狀況。

圖2 工作面繼續(xù)推進(jìn)過(guò)程中不同支架所受載荷變化特征示意圖

表1 采場(chǎng)頂板來(lái)壓狀況

從圖2和表1可以得知，測(cè)站I、測(cè)站II和測(cè)站III的來(lái)壓步距分別為12.2 m、9.2 m和10.2 m，說(shuō)明采場(chǎng)中部頂板來(lái)壓步距最小，而機(jī)尾部來(lái)壓步距最大，對(duì)其取平均值可得采場(chǎng)頂板來(lái)壓步距平均為10.53 m，而來(lái)壓前支架的工作阻力均值為849.91 kN～2 486.41 kN，來(lái)壓時(shí)支架的工作阻力均值為1 605.37 kN～4 281.62 kN；測(cè)站I、測(cè)站II和測(cè)站III的動(dòng)載系數(shù)分別為1.39、1.59和1.57，對(duì)其取平均值可得動(dòng)載系數(shù)平均為1.51；由工作面頂板的來(lái)壓步距和動(dòng)載系數(shù)綜合分析可知采場(chǎng)頂板來(lái)壓比較明顯。

測(cè)站I顯示11#液壓支架有2次周期來(lái)壓，測(cè)站II顯示81#液壓支架有3次周期來(lái)壓，測(cè)站III顯示171#液壓支架有2次周期來(lái)壓，其余有1次周期來(lái)壓。如果實(shí)測(cè)液壓支架阻力在頂板來(lái)壓臨界值之上，則認(rèn)為頂板來(lái)壓；如果實(shí)測(cè)液壓支架阻力在頂板來(lái)壓明顯判定臨界值之上，則認(rèn)為頂板來(lái)壓明顯；以此為依據(jù)，則認(rèn)為31#和171#液壓支架都有1次明顯的來(lái)壓發(fā)生。

3 支架阻力觀測(cè)結(jié)果分析

判斷工作面支架是否可以有效地支撐頂板，其最主要的判定參數(shù)之一就為初撐力。液壓支架合理的初撐力可以避免覆巖過(guò)大的變形以及離層現(xiàn)象發(fā)生，防止頂板下位巖層的破碎，保證工作面的安全高效生產(chǎn)。第146頁(yè)圖3對(duì)各個(gè)測(cè)站支架初撐力不同分布區(qū)間情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

本次研究的特厚煤層工作面支架初撐力額定值為6 184 kN，第146頁(yè)表2為統(tǒng)計(jì)的液壓支架初撐力。

根據(jù)圖3和表2分析，工作面支架初撐力在682.95 kN～1 641.08 kN，回采工作面機(jī)頭、中部和機(jī)尾的支架初撐力分別為786.39 kN、1 412.82 kN和1 641.08 kN，對(duì)其取平均值可得支架的初撐力平均值為1 177 kN，這僅為支架工作阻力額定值的19%，而且實(shí)際監(jiān)測(cè)到的液壓支架初撐力可達(dá)到額定值的架數(shù)為0。說(shuō)明工作面支架的初撐力遠(yuǎn)達(dá)不到安全生產(chǎn)的需要，初撐力嚴(yán)重偏小，由此分析可能的原因有兩個(gè)方面：

圖3 各個(gè)測(cè)站支架初撐力不同分布區(qū)間統(tǒng)計(jì)直方圖

測(cè)站編號(hào)支架編號(hào)/#支架初撐力/kN支架初撐力均值/kNIIIIII11682.9531721.3151948.66811 189.321011 701.081211 328.041711 641.08786.391 412.821 641.08

1) 液壓支架管路發(fā)生漏串液；

2) 覆巖下位巖層破碎度較高，液壓支架升架時(shí)間短，而且有可能是支架阻力還未達(dá)到額定值時(shí)工人就已經(jīng)關(guān)閉了供液閥。

4 液壓支架循環(huán)末阻力分析

液壓支架在循環(huán)作業(yè)末期的工作阻力稱為循環(huán)末阻力，此值可以為液壓支架合理支護(hù)形式和參數(shù)的選擇提供一定的依據(jù)。圖4對(duì)不同支架的循環(huán)末阻力分布區(qū)間進(jìn)行了整合分析，表3為統(tǒng)計(jì)的循環(huán)末阻力。

圖4 不同支架循環(huán)末阻力分布區(qū)間統(tǒng)計(jì)直方圖

測(cè)站編號(hào)支架編號(hào)支架初撐力/kN支架初撐力均值/kNIIIIII11551.12311 168.98511 842.31811 901.681012 469.861211 521.321711 683.04786.391 412.821 641.08

根據(jù)圖4和表3分析，回采工作面機(jī)頭、中部和機(jī)尾的支架加權(quán)阻力分別為1 201.53 kN、1 968.89 kN和1 679.87 kN，對(duì)其取平均值可得支架的初撐力平均值為1 616.76 kN，僅為支架工作阻力額定值的25%；而且不同位置支架阻力最小為551.12 kN，僅為支架工作阻力額定值的9%，支架阻力最大為2 469.82 kN，也僅為支架阻力額定值的35%。故此說(shuō)明沒(méi)有液壓支架末阻力可達(dá)到額定值，更加說(shuō)明了支架未充分發(fā)揮支撐特性。

5 液壓支架適應(yīng)性分析

判斷回采工作面支架對(duì)采場(chǎng)的適應(yīng)性主要是以支架阻力隨時(shí)間的變化關(guān)系為依據(jù)。支架阻力隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線可分為一次增阻型、二次增阻型、微增阻型和降阻型4種[4]。一次增阻型形成說(shuō)明移架后液壓支架初撐力較小；二次增阻型形成的原因是液壓支架隨著覆巖的變形而降低，說(shuō)明液壓支架初撐力不足；微增阻型和降阻型形成說(shuō)明液壓支架初撐力較大。圖5為支架阻力隨時(shí)間的變化曲線圖。

圖5 支架阻力隨時(shí)間的變化曲線圖

從圖5中分析可得，一次增阻型比例最大，占到了支架總數(shù)的74.6%，而支架中沒(méi)有支架為降阻型，微阻型所占比例微乎其微，二次增阻型比例也僅為20.2%，總體說(shuō)明液壓支架實(shí)際工作阻力較低，無(wú)法較好地控制頂板穩(wěn)定。一方面，可能是人為操作的緣故，另一方面，供液壓力不足以及供液管道故障等因素均會(huì)導(dǎo)致此現(xiàn)象，所以并非是支架型號(hào)不符合安全生產(chǎn)的需求。

6 結(jié)論

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了特厚煤層采場(chǎng)頂板運(yùn)移特征以及礦壓規(guī)律的研究，從而系統(tǒng)分析了特厚煤層工作面的采場(chǎng)采動(dòng)情況。

1) 頂板來(lái)壓步距平均為10.53 m，動(dòng)載系數(shù)平均為1.51；由工作面頂板的來(lái)壓步距和動(dòng)載系數(shù)綜合分析可知采場(chǎng)頂板來(lái)壓比較明顯。

2) 支架的初撐力平均值為1 177 kN，僅為支架工作阻力額定值的19%，而且實(shí)際監(jiān)測(cè)到的液壓支架初撐力可達(dá)到額定值的架數(shù)為0。故說(shuō)明工作面支架的初撐力遠(yuǎn)達(dá)不到安全生產(chǎn)的需要，初撐力嚴(yán)重偏小。由此分析可能的原因有兩方面：一方面是由于液壓支架管路發(fā)生漏串液；另一方面是由于覆巖下位巖層破碎度較高，液壓支架升架時(shí)間短，而且有可能是支架阻力還未達(dá)到額定值時(shí)工人就已經(jīng)關(guān)閉了供液閥。