厚煤层综采放顶煤开采矿压显现规律研究王文涛

厚煤层综采放顶煤开采矿压显现规律研究王文涛

王文涛

龙煤鹤岗矿业有限责任公司南山煤矿防冲大队黑龙江鹤岗154103

摘要：本文首先阐述了矿压测点布置及结果，接着分析了计算机数值模拟，最后对工作面支架适应性进行了探讨。

关键词：特厚煤层;综采;放顶煤开采;矿压显现规律;数值模拟

引言：

综采放顶煤技术作为一种地质条件如特厚煤层、较层中得到应用，并且在我国的经济效益和社会效益，但难题需要深入研究。如特厚新的开采方法已在各厚煤层以及复杂厚煤个矿区都取得了较好时也面临着诸多技术层放顶煤开采的矿山压力显现规律还有待研究。

1矿压测点布置及结果分析

1.1矿压观测点布置

观测支架载荷变化是研究围岩应力分布的方法之一。在工作面内侧将工作面按上、中、下3部分各设置1组测站，1。测站距输送机机头15m，28测站距输送机机头75m，38测站距输送机机尾15m。每1组测站选2架支架，每架支架安装2块圆图压力自记仪(前、后立柱各1块，前左后右)，观测工作面内支承压力分布情况。

同时，在工作面回风巷内侧布置钻孔，设3组测站，分别为48测站、5。测站和68测站，安装钻孔应力计，通过测量钻孔应力计读数，了解工作面超前支承压力分布与超前工作面距离的关系。

1.2工作面矿山压力现场观测结果

1.2.1工作面支架平均工作阻力分布规律

工作面各支架初撑力分布比较稳定。其中，液压支架前柱占初撑力55％，后柱占45％。沿工作面倾斜方向，支架的平均工作阻力呈现两端小、中间高的分布特征；沿推进方向，工作面支架前柱载荷约占载荷总量的54％，后柱占46％，前、后柱平均工作阻力分布比较合理，表明工作面顶板、端面管理较好，端面冒落、漏顶等现象较少。

1.2.2工作面超前支承压力分布规律

巷道围岩变形反映了围岩受工作面采动影响的程度。由于超前支承压力的作用，迫使巷道围岩发生变形、位移，通过钻孔测量，T2192支承压力峰值距煤壁距离为15m，应力微增区分布范围为100～150m。

1.2.3工作面来压规律

根据工作面各测站观测和分析可以得出工作面来压规律。

在相邻区段存在采空区的T2192工作面，初次来压步距为36m，动载系数1．3～2．6，支架工作阻力利用率在67％以上，由此可见，应力释放后的采场矿压显现被削弱。

工作面来压周期性较明显，呈现为高频率、低强度的特征，平均步距8．1m。

放顶煤开采超前支承压力分布与分层开采基本相似，但采动影响范围增大，峰值超前工作面的距离更远，而且应力降低区增大。由于采用放顶煤开采，增加了一次开采的总厚度，导致上覆岩层平衡结构形成的层位更高，形成的结构更加远离工作面。因此，超前支承压力的范围更大，峰值超前工作面的距离更远，工作面所处的应力较低区范围更大。

2计算机数值模拟分析

2.1模型的建立

建立模型时，上都结构采用大变形梁的形式，其位态由UDEC模拟结果确定，大变形梁的位移采用斜直线型；采空区的支承体采用支撑形式来实现；模型的两侧固定水平变形，同时固定下部边界，在上部边界施加应力作用。为了近似模拟，采用了分段式施加应力，将未模拟岩层以变化应力的方式加在上部边界上。在上部边界一端从1到10单元施加6MPa的应力，10到35单元施加应力从6MPa逐渐变化为15MPa，35到60单元施加应力从15MPa逐渐变为0．1MPa，60到70单元施加应力由0．1MPa逐渐变为0。

2.2数值模拟结果分析

垂直应力在工作面前方14m左右达到峰值，而在支架上方，由于支架的卸压，而使其上方至平衡结构之间形成低应力区。

煤体中的水平应力在工作面前方18m处达到峰值，而在距工作面13m处，顶煤的水平应力达到峰值，这两个峰值连成了一个区，这种水平应力的变化与顶煤和顶板的作用形式有关，也与上覆岩层的传压及顶煤的变形有关。

采空区上方岩层的自重应力通过平衡结构，特别是有序平衡结构指向工作面前方煤体和岩体。

支承压力峰值超前工作面14m，与实测结果(15m)吻合，证明了由于开采厚度增加，支承压力范围增大，工作面处于低压区内，因此，支架载荷没有显著变化。

3工作面矿压显现规律的特征

通过对矿山复杂条件厚煤层典型工作面进行矿压观测、计算机数值模拟分析等，合理地设计工作面倾斜长度和相邻巷道煤柱尺寸参数，巷道布置尽量避开压力高峰区，有利于顶板控制，同时也可改变工作面两端头的受力状况。因此工作面倾斜长度一般设计在150～180m，两巷相邻煤柱尺寸一般不超过5～8m，巷道设计在集中压力降低区。

加快工作面推进速度，缩短煤壁暴露时间，可有效地防止煤壁片帮抽冒，实现改善顶板和支架受力状况，提高煤壁的稳定性。

提高工作面支架的护帮能力，采用支架伸缩前探梁和护帮板支护顶板和煤壁，防止因煤壁片帮导致顶煤抽冒的发生。在有条件的情况下液压支架设计反转护帮板，对煤壁片帮区域顶板起到及时支护作用。

加强支架的液压系统管理，缩短移架时间，采用带压移架，在破碎顶板情况下铺设金属网，减少顶板的下沉和移架时对顶板的破坏，保证支架具有足够的初撑力。

分析掌握地质条件和煤层厚度变化，合理控制采高和采煤机截深。在变化区域加强采煤机司机和支架操作人员的配合水平，实现及时支护顶板，提高工作面的稳定性。

4工作面支架适应性分析

4.1工作面阻力分布

评价支架的工作性能和顶板冲击程度主要是由支架的工作阻力在不同区间的百分比来确定，即支架工作阻力频率分布来确定。具体方法是按照额定工作阻力的20％，划分N个区间，分别统计支架工作阻力在各区间所占的百分比。对于理想的支架工作阻力频率分布图应是正态分布。处于低阻力和高阻力所占整个区间很少比例，中间部分所占比例较大。若低阻力所占比例较大，支架对顶板支撑作用不明显，顶板整体下沉，工作面采高降低，容易出现支架被压死现象；若高阻力所占比例较大，说明支架长期在超负荷状态工作，安全阀频繁开启，影响支架的使用寿命。

4.2前后立柱受力分析

3309综放工作面采用ZF8000／17／32型放顶煤液压支架，每根立柱的额定工作阻力为2000kN。每个记录仪有两个通道，分别监测支架的前柱和后柱，为了所测的数据能充分说明支架立柱受力情况，对各架的前后立柱的平均工作阻力进行了统计,前立柱平均工作阻力为788.52kN，占额定阻力的百分比为39.43％；后立柱平均工作阻力为388.26kN，占额定阻力的百分比为19.41％。这样的占比是由于初撑力过低造成。前后立柱平均受力比为203.09％。

4.3安全阀开启分析

在正常推进期间所观测支架大部分安全阀开启频率属于正常水平，说明支架可以满足工作面支护要求。各支架安全阀开启压力正常，前柱安全阀在38MPa左右开启，后柱在42MPa左右开启。整个工作面来压期间压力显现比较明显。其中33＃支架和55＃支架前后柱安全阀开启最为频繁，最高达到开启13次左右，说明工作面中部压力较大。

结束语：

综放工作面周期来压步距稳定，工作面顶板来压期间压力显现明显，中部压力较大，选用液压支架基本能够满足工作面支护要求。但要加强现场顶板管理，在顶板周期来压期前确保支架接顶接实，提高支架初撑力，在煤壁破碎段要注意拉好超前架，防治出现大面积片帮冒顶事故，确保工作面周期来压期间安全。

参考文献：

[1]杨永旺.综采放顶煤开采技术在大倾角松软厚煤层中的应用[J].矿业装备.2019(01)

[2]马凯旋.浅析厚煤层综采放顶煤开采技术[J].技术与市场.2015(07)

[3]张鹏飞.厚煤层综采放顶煤开采技术探讨[J].机械管理开发.2017(07)