厚度不穩(wěn)定煤層工作面阻力監(jiān)測(cè)及支護(hù)效果分析

王 兵

(山西三元福達(dá)煤業(yè),山西 長(zhǎng)治 046000)

厚度不穩(wěn)定煤層工作面阻力監(jiān)測(cè)及支護(hù)效果分析

王 兵

(山西三元福達(dá)煤業(yè),山西 長(zhǎng)治 046000)

針對(duì)河南鶴煤十礦12采區(qū)1202工作面不穩(wěn)定煤層工作面支架支護(hù)效果問(wèn)題,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式確定支架型號(hào)，進(jìn)一步通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)支架阻力以及支護(hù)效果,驗(yàn)證工作面支架的安全性。結(jié)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(wěn)定煤層工作面,工作面支架來(lái)壓較平緩工作狀態(tài)良好,保證了工作面的安全生產(chǎn)。

不穩(wěn)定煤層;放頂煤;支架選型

到目前為止,不穩(wěn)定煤層放頂煤開(kāi)采技術(shù)仍然是采礦工程領(lǐng)域研究的重要課題,國(guó)內(nèi)外依然沒(méi)有一種采煤方法完全適應(yīng)各種不穩(wěn)定煤層的放頂煤開(kāi)采,無(wú)法實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的最佳效果[1-3]。鶴煤十礦12采區(qū)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(duì)該厚度不穩(wěn)定煤層工作面支架進(jìn)行研究,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式確定支架型號(hào),通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)阻力監(jiān)測(cè)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(wěn)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(wù)于整個(gè)煤層,對(duì)于薄煤層區(qū)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(qū)域煤層厚度大于采高的頂煤損失量,按照以上原則并依據(jù)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(jù)工作面通風(fēng)、行人、頂板管理、合理采放比及高產(chǎn)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(jù)炮采高度,并考慮一定的備用系數(shù),選用支架的支撐范圍為1.6 m～2.4 m。

1.2前探梁伸縮長(zhǎng)度

由于工作面直接頂隨采隨冒,支護(hù)要及時(shí),同時(shí)為了使采寬與放煤步距相協(xié)調(diào),確定前探梁伸縮長(zhǎng)度為0.8 m,恰好滿足一采一放、及時(shí)支護(hù)的要求。

1.3支護(hù)強(qiáng)度

支護(hù)強(qiáng)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(hù)強(qiáng)度不同于其他開(kāi)采工作面的支架的支護(hù)強(qiáng)度[4],實(shí)踐證明放頂煤工作面的來(lái)壓強(qiáng)度要低于普通綜采工作面的來(lái)壓強(qiáng)度。根據(jù)高產(chǎn)高效的要求,結(jié)合鶴煤十礦已有的經(jīng)驗(yàn),考慮一定的富余系數(shù),取支架的支護(hù)強(qiáng)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(shù)之一,它代表了支架的支撐能力。當(dāng)支架的支護(hù)強(qiáng)度確定后,根據(jù)配套尺寸,確定支架的頂梁長(zhǎng)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(hù)強(qiáng)度,kN/m2;LK為前探伸縮梁探出長(zhǎng)度,m;LD為頂梁長(zhǎng)度,m;B為支架中心距,m。依照上述計(jì)算參數(shù),選擇滑移支架型號(hào)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(jìn)行配合使用,選擇型號(hào)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(cè)及分析

支架支柱阻力觀測(cè)沿工作面均勻布置6條測(cè)線,如工作面變短,可適當(dāng)減少測(cè)線數(shù)目,每個(gè)測(cè)線下的第一排支柱上安設(shè)圓圖壓力自記儀,用以記錄支柱的循環(huán)壓力變化。在支架第5組、19組、37組、57組、73組和75組布置側(cè)線。

超前工作面50 m、70 m,在兩個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)布置兩個(gè)測(cè)站,在兩個(gè)測(cè)站內(nèi)分別各打5鉆孔,鉆孔平行于工作面方向,傾角為26°,每孔內(nèi)布置1臺(tái)KSE-Ⅱ-1型鉆孔應(yīng)力計(jì)，鉆孔高度距底板1.7 m。實(shí)測(cè)時(shí),根據(jù)工作面推進(jìn)情況安排觀測(cè)工作。每天觀測(cè)1次,30 m以內(nèi)時(shí)每天早、中班分別觀測(cè)1次,并作記錄。超前支承壓力在距離工作面40 m處的鉆場(chǎng)布置觀測(cè)點(diǎn)。

2.1工作面下部頂板來(lái)壓規(guī)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(huán)末工作阻力、時(shí)間加權(quán)工作阻力與工作面推進(jìn)距離的關(guān)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(huán)末阻力為1 265 kN,占額定工作阻力(2 000kN)的63.25%;支架平均時(shí)間加權(quán)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(jìn)距離關(guān)系 Fig.1 Relation between setting load and advancing distance of No.19 support

圖2 19#架循環(huán)末阻力與推進(jìn)距離關(guān)系Fig.2 Relation between resistance after loop and advancing distance of No.19 support

圖3 19#架時(shí)間加權(quán)工作阻力與推進(jìn)距離關(guān)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(cè)期間19#支架共來(lái)壓4次,來(lái)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(lái)壓期間初撐力為1 145 kN,占額定初撐力的74.1%;來(lái)壓期間循環(huán)末阻力為1 685.56 kN,占額定工作阻力的84.25%;來(lái)壓期間時(shí)間加權(quán)工作阻力為1 479.32 kN,占額定工作阻力的73.95%。非來(lái)壓期間初撐力為820.55 kN,占支架額定初撐力的41.03%;非來(lái)壓期間循環(huán)末阻力1 347.22 kN,占額定工作阻力的67.36%;非來(lái)壓期間時(shí)間加權(quán)工作阻力為1 045.55 kN,占額定工作阻力的52.27%。由此可知,來(lái)壓期間的動(dòng)壓載荷系數(shù)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(lái)壓較平緩,支架工作狀態(tài)良好。

2.2工作面中部頂板來(lái)壓規(guī)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(huán)末工作阻力、時(shí)間加權(quán)工作阻力與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系。

圖4 57#架初撐力與推進(jìn)距離關(guān)系 Fig.4 Relation between setting load and advancing distance of No.57 support

圖5 57#架循環(huán)末阻力與推進(jìn)距離關(guān)系Fig.5 Relation between resistance after loop and advancing distance of No.57 support

圖6 57#架時(shí)間加權(quán)工作阻力與推進(jìn)距離關(guān)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(huán)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(shí)間加權(quán)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(cè)期間57#支架共來(lái)壓兩次,來(lái)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(lái)壓期間初撐力為1 287.56 kN,占額定初撐力的83.33%;來(lái)壓期間循環(huán)末阻力為1 771 kN,占額定工作阻力的88.56%;來(lái)壓期間時(shí)間加權(quán)工作阻力為1 662 kN,占額定工作阻力的83.11%。非來(lái)壓期間初撐力為842.22 kN,占支架額定初撐力的54.51%;非來(lái)壓期間循環(huán)末阻力1 400 kN,占額定工作阻力的70%;非來(lái)壓期間時(shí)間加權(quán)工作阻力為1 071.94 kN,占額定工作阻力的53.59%。由此可知,來(lái)壓期間的動(dòng)壓載荷系數(shù)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(lái)壓較平緩,支架工作狀態(tài)良好。

2.3工作面上部頂板來(lái)壓規(guī)律

1202中工作面上部75#支架的初撐力、循環(huán)末工作阻力、時(shí)間加權(quán)工作阻力與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系。由觀察可知,在觀測(cè)期間75#支架共來(lái)壓3次,來(lái)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(lái)壓期間初撐力為1 124 kN,占額定初撐力的72.89%;來(lái)壓期間循環(huán)末阻力為1 569.9 kN,占額定工作阻力的78.49%;來(lái)壓期間時(shí)間加權(quán)工作阻力為1 501.39 kN,占額定工作阻力的75.07%。非來(lái)壓期間初撐力為965.62 kN,占支架額定初撐力的62.5%;非來(lái)壓期間循環(huán)末阻力1 378.5 kN,占額定工作阻力的68.92%;非來(lái)壓期間時(shí)間加權(quán)工作阻力為1 310 kN,占額定工作阻力的65.53%。由此可知,來(lái)壓期間的動(dòng)壓載荷系數(shù)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(lái)壓較平緩,支架工作狀態(tài)良好。

3 工作面支架整體支護(hù)效果分析

在工作面推進(jìn)過(guò)程中,支架的工作阻力反映了頂板來(lái)壓情況及其支架對(duì)工作面的適應(yīng)情況。要使支架被合理利用,發(fā)揮其良好的支護(hù)效果,要針對(duì)工作面不同位置支架支護(hù)狀態(tài)做出統(tǒng)計(jì),對(duì)現(xiàn)今工作面支架存在的不合理性提出修改建議,以達(dá)到最佳支架利用和獲得良好的支護(hù)效果。圖7和圖8為統(tǒng)計(jì)分析得到的工作面不同部位支架支護(hù)阻力(循環(huán)末阻力、時(shí)間加權(quán)阻力)頻率分布直方圖。

7-a 循環(huán)末工作阻力

7-b 時(shí)間加權(quán)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(huán)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(cè)到超過(guò)支架額定工作阻力的數(shù)據(jù)。19#、57#、75#支架加權(quán)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(hù)過(guò)程中支架有較好的富余系數(shù),可以對(duì)工作面進(jìn)行良好的支撐。

8-a 循環(huán)末工作阻力

8-b 時(shí)間加權(quán)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(jié)論

針對(duì)不穩(wěn)定工作面支架選取問(wèn)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(jìn)一步通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)支架阻力,來(lái)壓較平緩,工作面支架利用率大,在支護(hù)過(guò)程中支架有較好的富余系數(shù),可以對(duì)工作面進(jìn)行良好的支撐,保證了工作面的安全生產(chǎn),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(zhǎng)治人,本科,助理工程師,從事煤礦采掘、支護(hù)工作。

TD326

A

(編輯:楊 鵬)