王莊煤礦超長綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及頂板控制研究

目前，經(jīng)過實驗、開發(fā)、推廣和改進的幾個階段，全采采煤技術已成為具有中國特色的厚煤層開采的高產(chǎn)、高效采采技術。如何進一步改進綜合生產(chǎn)技術，提高車間主體產(chǎn)量，合理集中生產(chǎn)，促進煤氣工業(yè)的發(fā)展，是許多煤炭相關人員面臨的主要研究主題之一。國外先進采煤國家的成功經(jīng)驗表明,不斷加長工作面長度已成為礦井高產(chǎn)高效集中生產(chǎn)的主要技術方向之一.綜放工作面長度的加大,不僅能提高工作面單產(chǎn)、方便巷道布置、簡化生產(chǎn)系統(tǒng)、有利于礦井高度集中生產(chǎn),而且能提高礦井資源采出率,并有利于地表建筑物(如鐵路、國道等)的保護.但工作面長度受到工作面配套設備的裝備水平、通風及安全等條件制約,頂板管理難度增大,設備故障增加,勞動組織復雜.因此在工作面采場控制技術等方面必須采取一些特殊的措施,以確保超長綜放工作面的安全生產(chǎn)和高產(chǎn)高效.本文以潞安王莊煤礦4326超長綜放工作面為例,分析了超長工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律,并就支架運轉特性、端面頂板(煤)的控制等方面提出了具體的控制措施.143工作面概述王莊煤礦4326綜放工作面采3號煤層,煤厚6.86～7.14m,f=2～3,煤層埋藏深度225～243m;煤層內共含夾矸5層,厚度0.49m,f=1～3.直接頂為砂質泥巖,平均厚度2.45m,f=1～3.老頂砂巖,平均厚度17.47m.直接底砂巖,平均厚度1.8m,f=3～8.老底砂質泥巖,平均厚度5m.在煤層之上46.47m處是8.55m厚的砂巖,經(jīng)判斷,該層砂巖是主關鍵層,它的破斷將對采場產(chǎn)生強烈的礦壓顯現(xiàn).該面整體上是一個向切眼方向傾斜的單斜構造,煤層傾角0～12°,在工作面后半部90～140號架有4條走向與工作面推進方向基本一致的斷層,落差為0.52～1.1m.整個工作面節(jié)理、裂隙、層理發(fā)育,尤其是在斷層前、后屬地質破碎帶.另外該處還存在一個背斜褶曲,褶曲軸向與工作面走向趨于一致,傾角為2～3°.工作面采用傾斜長壁低位放頂煤一次采全高,全部垮落的綜合機械化采煤法,沿煤層傾斜方向由西向東推進,仰斜開采,西與6111已采面相連,南北為未采面.根據(jù)4326工作面煤層地質條件、設備裝備水平及管理水平,考慮到4326工作面上方地表309國道的保護,選定工作面長度為270m.這是目前我國最長的綜放工作面.工作面采用174組ZZP4800-17/33F型支架,兩端頭采用兩套ZT19200-18/3端頭架配合4組ZPT8750-17/32排頭架管理頂板.工作面采高3m,放煤高度4m,一采一放為一循環(huán),循環(huán)進度0.8m.ZZP4800-17/33F型放頂煤支架參數(shù)為:初撐力3958kN,工作阻力4800kN,支護面積7.02m2,支護強度0.65MPa.2延長廣泛空間的礦壓突出規(guī)律2.1工作面老頂?shù)某醮魏椭芷趤韷寒敼ぷ髅鎻那醒弁七M5.5m左右時,頂煤初次垮落,垮落高度2～3m,隨工作面繼續(xù)推進,當機巷側推進11m,風巷側推進7m時,頂煤全厚度垮落,且塊度較大.頂煤初次垮落后,支承壓力的破煤作用不斷提高,同時也為頂煤的繼續(xù)垮落開出了自由面.因此進入正常推進階段,頂煤可隨采隨冒.直接頂?shù)目迓錅箜斆阂欢ň嚯x(5m左右),初垮期間工作面也產(chǎn)生一定程度的礦山壓力顯現(xiàn).隨著工作面的不斷推進及頂煤和直接頂?shù)牟粩嗝奥?老頂?shù)膽铱缍炔粩嘣龃?據(jù)實測,老頂?shù)某醮慰迓洳骄酁?1.8～25.0m,且沿工作面長度方向出現(xiàn)不同步特性,即工作面加長以后,老頂來壓呈現(xiàn)中間段超前、兩端頭落后的特征,并且工作面上、中、下部老頂來壓步距也不一致.同時由于90～140號架之間斷層的存在,也使得這種現(xiàn)象更為明顯.4326超長綜放工作面老頂?shù)某醮魏椭芷趤韷簩ぷ髅嬖斐杀容^強烈的礦山壓力顯現(xiàn),主要表現(xiàn)為支架阻力急劇上升,煤壁片幫,在工作面還能聽到頂板斷裂發(fā)出的聲音.2.2液壓支架支撐量的特征分析在實測中發(fā)現(xiàn),工作面正常推進過程中,老頂?shù)膩韷簩⒁鸸ぷ髅姹容^強烈的礦壓顯現(xiàn),但此時支架工作阻力仍有一定的富裕,支架安全閥還沒有達到開啟的程度.而當工作面推進到80～90m時,工作面礦壓顯現(xiàn)突然加劇,煤壁片幫深度在1.0m以上,并且?guī)缀跽麄€工作面范圍都出現(xiàn)片幫,端面上方部分區(qū)域出現(xiàn)斷裂線,裂縫寬度達20～30mm.繼煤壁片幫后,即出現(xiàn)支架迅速增阻,速度達400kN/(架·h),支柱迅速下降,個別支架后柱可縮量僅剩50～60mm,支架空間變小,安全閥開啟率達22%.巖層移動與地表沉陷的實測結果如圖1所示,4326工作面在推進60m時,地表開始出現(xiàn)下沉,1999-07-07推進到84.5m時,地表下沉最大0.92m,超前影響55m,影響角77°,地表有裂隙出現(xiàn),局部隆起,地表下沉盆地開始出現(xiàn),最大下沉點的下沉速度為0.1m/d.由此可以推斷,當工作面推進到85m左右時,上覆主關鍵層破斷,導致地表沉陷加劇,造成工作面支架安全閥開啟,達到或超過其額定阻力值.稱這種由于上覆主關鍵層破斷而對工作面產(chǎn)生強烈礦壓顯現(xiàn)的現(xiàn)象為主關鍵層來壓.現(xiàn)場實測4326超長綜放工作面主關鍵層來壓時的強度遠大于老頂來壓時的強度.工作面液壓支架來壓時的動載系數(shù)見表1.由此可以看出,在超長綜放工作面,直接頂和老頂?shù)目迓鋵ぷ髅娈a(chǎn)生較明顯的礦壓顯現(xiàn),但其強度遠遠不及上覆主關鍵層破斷對工作面的影響,也就是說,回采工作面礦山壓力顯現(xiàn)程度主要受上覆主關鍵層破斷的影響.主關鍵層的破斷將會引起地表充分的沉陷,同時給工作面帶來強烈的礦壓顯現(xiàn).2.3工作面長度延長4326超長綜放工作面觀測期間,支架阻力隨推進度的變化關系如圖2所示,支架工作狀態(tài)沿工作面長度方向的分布見表2.實測支架初撐力平均值為1288.2kN,僅占額定初撐力的32.5%.工作面實際初撐力偏低,其主要原因:(1)工作面長度加長以后,泵壓損失較大;(2)支架工況不是很好,串液漏液現(xiàn)象嚴重.因此必須采取措施提高支架初撐力,尤其在來壓期間更應注意,以減少頂板活動對采場的影響,確保工作面端面頂板的完整.實測最大平均工作阻力3734.1kN/架,占額定工作阻力的77.8%,實測最大工作阻力即為額定工作阻力,這時支架的安全閥開啟.時間加權平均阻力平均3466kN/架,占額定工作阻力的72.2%.從上面的分析可以看出,4326綜放工作面所選用的ZZP4800-17/33F型放頂煤液壓支架的工作阻力基本滿足要求.當上覆主關鍵層破斷時,工作面?zhèn)€別支架安全閥開啟,達到額定工作阻力值,大部分支架的工作阻力還沒有達到額定值.3采區(qū)底板壓力技術人員及長距離綜合開采區(qū)的深加工技術3.1工作面支架初撐力分析工作面支架運轉特性的頻率分布如圖3所示.整個工作面范圍內支架處于初撐狀態(tài)的占36.6%,一增阻狀態(tài)的占49.7%,二增阻狀態(tài)的占6%,多增阻狀態(tài)的占0.9%,而處于降阻狀態(tài)的占6.5%.因此從整體上看,初撐和一增狀態(tài)占86.3%,支架運轉狀況良好.由沿面長的分布可見,在工作面兩端90%以上都處于初撐和一增狀態(tài),其中機巷側處于初撐的為60%.由此可見,兩端支架受頂板活動的影響較小,并且機巷側支架的載荷小于風巷側.與工作面兩端相此,中部支架受頂板活動的影響較大,初撐和一增狀態(tài)的占69.6%,處于二增的占15.4%,而降阻也明顯高于兩端,達11.9%.同時,由表1,2可見,工作面中部8,129號支架來壓動載系數(shù)和支架阻力最低,這是由于在超長綜放工作面中部的支承壓力較大,下位頂煤較為破碎,以及移架時頂煤的冒落造成的.由前述可知,工作面支架初撐力平均值只占額定初撐力的32.5%,大于額定初撐力70%的只占10.56%.在工作面正常推進過程中,局部地段出現(xiàn)煤壁片幫和冒頂,在頂板來壓時刻,特別是主關鍵層來壓時,冒頂片幫比較嚴重,甚至對生產(chǎn)造成一定的影響.由此看來,支架設計初撐力是可以滿足要求的,但工作面支架實際初撐力卻很低,需要采取一些措施,確保端面不冒頂和煤壁不片幫.3.2施工措施預防在采用綜放支架以后,工作面頂板控制的重點是煤壁和支架頂梁之間的無支護空間,即端面頂板(煤),而其冒落情況與頂煤強度、節(jié)理發(fā)育情況、礦山壓力大小、控頂距等因素有關.4326超長綜放工作面在1999年6月1日至7月20日的觀測期間(試采期)內端面頂煤完整情況見表3.由此可見,在整個工作面范圍內,端面頂煤的完整性和煤壁片幫情況在工作面不同地段,情況不同,這主要與工作面內的局部地質構造有關.在101～140號架處的端面冒頂和煤壁片幫已經(jīng)對生產(chǎn)造成一定的影響,因此必須采取一定的措施加以預防.(1)保持支架的完好,試采期間支架串液、漏液現(xiàn)象嚴重,經(jīng)常有支架(特別是中部支架)控制閥損壞,工作面支護質量不好.據(jù)統(tǒng)計,由于支架的串液漏液,在2h內,就要消耗4箱乳化液.因此在實際操作中及時對支架及其管路、閥組進行大修、更換,這樣改善了支架的工作狀況,較好地維護了頂板的完整性.(2)追機及時支護,封閉工作面端面頂板,加快工作面推進速度,減輕工作面礦壓顯現(xiàn)程度,縮短控頂距,及時護頂.(3)確保泵站壓力,采用雙回路供液,提高支架初撐力.工作面加長以后,乳化液系統(tǒng)存在較大的壓力和流量損失,導致工作面支架初撐力不高,移架速度慢.另外,工作面乳化液泵站設計壓力31.5MPa,要求泵壓p≥30MPa,但井下觀測結果是泵站壓力在30MPa以下.因此在生產(chǎn)過程中對乳化液泵站進行了改造,將工作面支架分成兩部分,增加一臺泵站,采用雙泵雙回路供液.改造后的泵站供液系統(tǒng)如圖4所示.經(jīng)過改造后,支架初撐力的值有一個很大幅度的提高,見表4.由此可見,實測支架初撐力的平均值由原來占額定值的32.5%提高到71%,達到2810kN,支架工作阻力也有較大幅度的提高,支架的支護推移時間縮短.割煤后暴露頂板在其自穩(wěn)時間內得到了有效支護,控制了頂板下沉,減緩了煤壁上方頂煤的變形及裂隙貫通,減少了端面冒頂事故,而且一直保持了頂煤架前完整和架后破碎的理想放煤狀態(tài),工作面的支護狀況發(fā)生了顯著的變化.4采場礦山壓力的現(xiàn)狀與特征潞安王莊煤礦4326綜放工作面的長度為270m,