大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬研究

嚴(yán)聰 白景浩

摘要：科技的進(jìn)步，促進(jìn)人們對能源需求的增多。隨著機(jī)械化水平的不斷提高，煤層開采的厚度也不斷增加。越來越多的大采高工作面出現(xiàn)，而且人們對大采高工作面礦壓規(guī)律的研究逐步深入。大采高綜采是相應(yīng)條件下厚煤層綜采的主要發(fā)展方向之一。本文就大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬展開探討。

關(guān)鍵詞：大采高綜采;工作面;礦壓;巖層運(yùn)動(dòng)

引言

大采高綜采是指對3.5m～5.0m厚的煤層一次采全高的綜采技術(shù)，我國從1978年起，開始試驗(yàn)厚煤層大采高一次采全厚開采方法，至今已得到了長足進(jìn)步。目前，在內(nèi)蒙、山西等礦井的厚煤層一次開采得以實(shí)現(xiàn)。大采高綜采具有開采工藝簡單、安全水平高、高產(chǎn)高效等多重優(yōu)點(diǎn)，但其采高和頂煤厚度較大，更容易出現(xiàn)煤壁片幫和端頭頂煤冒漏等現(xiàn)象。掌握綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，可以合理設(shè)計(jì)采場初撐力并解決煤壁片幫的問題，最終實(shí)現(xiàn)礦井的安全高效生產(chǎn)。

1綜采工作面系統(tǒng)的組成

綜合機(jī)械化采煤工作面完整的成套設(shè)備由以下幾個(gè)系統(tǒng)組成：（1）工作面內(nèi)的采、支、運(yùn)系統(tǒng)——有采煤機(jī)械、液壓支架、刮板輸送機(jī)和端頭支護(hù)設(shè)備（簡稱“三機(jī)”）;（2）運(yùn)輸平巷內(nèi)的運(yùn)煤系統(tǒng)——有轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、可伸縮膠帶輸送機(jī);（3）液壓系統(tǒng)——有乳化液泵、乳化液溶箱及其進(jìn)、回液主管路;（4）控制指揮系統(tǒng)——有控制臺(tái)、聲光信號(hào)、擴(kuò)音電話及其線路;（5）供水系統(tǒng)——有冷卻水、噴霧泵、水箱及其進(jìn)出、水管路;（6）供電系統(tǒng)——有高壓供電線路及其連接器和開關(guān)、移動(dòng)變電站、低（中）壓配電開關(guān)群及其分支供電線路。這六個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備是搞好綜合機(jī)械化采煤必不可少的裝備，必要時(shí)還應(yīng)配設(shè);（7）照明系統(tǒng)——有工作面及平巷的照明燈具及其線路;（8）輔助設(shè)備——有液壓安全絞車、調(diào)度絞車、電鉆、排（污）水泵等;（9）輔助運(yùn)輸設(shè)備——有卡軌車或單軌吊及其附屬設(shè)備。

2液壓支架工作阻力計(jì)算

（1）經(jīng)驗(yàn)估算法。在目前的工作面液壓支架選型的工程實(shí)際當(dāng)中，煤炭工作者仍然廣泛使用經(jīng)驗(yàn)估算法，由于煤炭賦存情況多變、覆巖分層多樣以及各種地質(zhì)情況的出現(xiàn)，通常不能被設(shè)計(jì)人員提前獲知，因此也很難顧全所有方面。為有效指導(dǎo)現(xiàn)場工作人員以及煤炭開采設(shè)計(jì)人員提出了以現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)為主的液壓支架工作阻力計(jì)算公式。由于該公式需要為數(shù)眾多的現(xiàn)場實(shí)踐，所以各國的經(jīng)驗(yàn)公式也不盡相同，以我國煤炭生產(chǎn)實(shí)踐為指導(dǎo)的經(jīng)驗(yàn)公式也就應(yīng)運(yùn)而生。通常，我國煤炭工作者認(rèn)為工作面采高應(yīng)當(dāng)是液壓支架工作阻力的主要影響因素，即：

由于該公式提出時(shí)間較早，雖然在普通采高工作面得到了廣泛應(yīng)用，并體現(xiàn)出了優(yōu)良的效果。但當(dāng)工作面采高增大以后，其上覆巖層結(jié)構(gòu)和運(yùn)移與普通采高相差甚遠(yuǎn)。如果繼續(xù)采用此方法計(jì)算大采高工作面液壓支架選型，顯然是不合理、不科學(xué)的。（2）頂板分類計(jì)算法。由于工作面頂板對液壓支架有著直接的影響，故煤科院專家認(rèn)為應(yīng)當(dāng)根據(jù)頂板來壓強(qiáng)度級(jí)別來對液壓支架工作阻力進(jìn)行計(jì)算。工作面液壓支架支護(hù)強(qiáng)度與工作阻力計(jì)算如下：

綜合國內(nèi)外學(xué)者就大采高礦壓顯現(xiàn)與工作面液壓支架工作阻力的確定，根據(jù)不同地質(zhì)條件以及開采參數(shù)，構(gòu)建了形式多樣的計(jì)算方法，提出了多種礦壓顯現(xiàn)理論，總結(jié)了繁多的支架工作阻力經(jīng)驗(yàn)公式。為我國大采高開采技術(shù)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)與研究基礎(chǔ)。但由于具體煤層賦存千變?nèi)f化，這就使得在計(jì)算某個(gè)具體礦井或某類具體地質(zhì)條件下的工作礦壓顯現(xiàn)與工作阻力計(jì)算變的困難。所以在具體地質(zhì)條件確定以后，必須利用數(shù)值模擬的方法，改變工作面具體開采參數(shù)例如：工作面長度、埋深、采高、仰采角度等因素，為具體礦井量身確定符合自身特點(diǎn)的液壓支架類型、采區(qū)布置參數(shù)以及工藝參數(shù)，并為相鄰礦井提供可靠參考。

3大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究現(xiàn)狀

大采高綜采工作面采場頂板巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和采場壓力顯現(xiàn)規(guī)律有其特殊性。工作面采高大，不僅使工作面頂板活動(dòng)空間與老頂懸臂梁結(jié)構(gòu)的彎距加大，使工作面壓力加大，而且因工作面上覆巖層冒落高度及裂隙帶高度的加大，使采場采動(dòng)影響波及的范圍增大，易發(fā)生“煤壁片幫———頂板冒落———煤壁片幫”的惡性循環(huán)。頂板冒落使支架失去上部約束而產(chǎn)生傾倒，支架傾倒后受力狀態(tài)惡化和承載能力下降又使工作面頂板出現(xiàn)進(jìn)一步冒漏。國內(nèi)外采礦工作者十分重視大采高帶來的頂板巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律和采場壓力顯現(xiàn)規(guī)律的研究，由于煤礦地質(zhì)條件的多樣性和復(fù)雜性，我國大采高綜采面液壓支架穩(wěn)定性等類的事故率平均高達(dá)6%～20%以上，遠(yuǎn)比采高小于3.5m的綜采面嚴(yán)重。大采高綜采面礦壓規(guī)律特殊性問題己成為生產(chǎn)實(shí)踐中迫切需要研究解決的采礦問題。國外由于受客觀條件的限制，適合大采高綜采的厚煤層不多，而厚煤層賦存較多的美國、澳大利亞等大多采用房柱式采煤法。就目前而言，我國在大采高綜采工作面與巷道圍巖控制技術(shù)方面進(jìn)行了一定的探索，但由于大采高綜采實(shí)踐時(shí)間短，各研究單位所觀測到的礦壓數(shù)據(jù)和研究結(jié)果，大多只適用于局部相似條件的范圍，而對其它類似條的地區(qū)僅有一定的參考價(jià)值。因此，進(jìn)行大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)特征及控制研究，掌握頂板活動(dòng)規(guī)律及壓力顯現(xiàn)規(guī)律具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

4綜采面液壓支架合理工作阻力確定

綜采支架合理工作阻力確定有許多方法，目前國外確定支架合理工作阻力的方法可歸結(jié)為三種：巖石自重法、頂?shù)装逡平糠?、統(tǒng)計(jì)法。巖石自重法以采高為自變量，支架工作阻力與采高呈直線關(guān)系，所以一般說來，采高越大，計(jì)算的支架工作阻力越偏大。頂?shù)装逡平糠ㄒ皂數(shù)装逡平亢椭Ъ苤ёo(hù)強(qiáng)度支架的雙曲線關(guān)系為依據(jù)，但計(jì)算的許多系數(shù)需要實(shí)驗(yàn)獲得，一般易與實(shí)際情況產(chǎn)生誤差。統(tǒng)計(jì)法以液壓支架端面頂板冒落高度和臺(tái)階下沉作為衡量支護(hù)強(qiáng)度是否足夠的指標(biāo)，以獲得合理支架支護(hù)強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。我國液壓支架合理工作阻力的確定方法因不同采場條件及對頂板控制的不同認(rèn)識(shí)，存在多種方法。主要有載荷估算法、理論分析法和實(shí)測統(tǒng)計(jì)法。載荷估算法認(rèn)為支架合理工作阻力應(yīng)能承受控頂區(qū)以內(nèi)及懸頂部分的直接頂載荷和老頂來壓時(shí)的形成的附加載荷。理論分析法按照砌體梁學(xué)說，工作面支架的作用應(yīng)及時(shí)支撐控頂區(qū)內(nèi)直接頂巖層，同時(shí)要對上覆可能形成的砌體梁結(jié)構(gòu)的老頂巖層形成支撐，用以平衡其部分載荷，避免老頂沿工作面形成切頂和大量臺(tái)階下沉。實(shí)測統(tǒng)計(jì)法主要有三種，即太原理工大學(xué)靳鐘銘教授提出的數(shù)理統(tǒng)計(jì)的回歸公式估算、礦壓實(shí)測數(shù)據(jù)確定和按照頂板分類中支架的支護(hù)強(qiáng)度確定。

結(jié)語

研究結(jié)果表明大采高綜采老頂來壓較普通綜采更為劇烈，局部冒頂和煤壁片幫現(xiàn)象更為嚴(yán)重，支架沖擊載荷更為突出，支承壓力影響范圍更為廣，工作面周期來壓明顯，來壓強(qiáng)度增加。

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