专题-综放工作面矿压显现规律与支架适应性研究

综放工作面矿压显现规律与支架适应性研究摘要：在现场实测的基础上, 分析了五阳煤矿在平均5.8m厚的软煤层条件下进行综放开采期间的矿压特征、顶板稳定性及支架的承载特征与其适应性，为在该地质条件下合理进行综放开采，进一步提高综放开采期间的煤炭采出率及其顶板控制原则提供了依据。关键词：综放开采；矿压；支架1 引言研究综放工作面矿山压力分布规律，为进一步提高综放开采期间的煤炭采出率及其顶板控制提供了理论依据。综采支架的支护强度与顶底板条件的适应性研究是工作面矿压观测的主要内容。支护强度的科学选择可以保证工作面在经济、安全的前提下高效生产，均衡支护则是延长支架使用寿命、充分发挥其作用的保证，支架支护质量的监测是进行预测与确定安全生产技术措施的关键。支架前后列液压支柱的支撑能力是否均匀，需要通过对其工作阻力的监测来评价。工作面推进各阶段支承压力的分布规律、顶板运动规律及底板对支架行走的影响，可以通过综采支架支护质量的监测直接反映。通过矿压观测掌握综放工作面顶板压力的显现规律和超前支撑压力影响范围，摸清工作面直接顶初次垮落步距与老顶初次来压、周期来压步距以及来压强度和持续时间，检验液压支架对顶板的适应性及控顶效果。2 放顶煤工作面地质及生产条件概况2.1 煤层顶底板岩性老顶：细粒石英砂岩，灰白色、石英长石为主，含云母及暗色矿物，分选性、磨圆度较好，局部夹泥岩条带。直接顶：砂质泥岩，黑色、块状、性脆、含大量植物茎状化石。伪顶：炭质泥岩，黑色、夹煤线或煤屑，节理发育、易冒落。直接底：砂质泥岩，灰黑色、团块状，含大量植物根部化石及煤屑。老底：细粒长石砂岩，灰白色、中厚层状、水平层理，夹泥岩条带，含云母，质较硬。顶底板岩石物理力学试验结果见表2.1表2.1 3号煤层顶底板岩石力学指标试验结果岩石名称厚度/m内磨擦角/抗剪强度/MPa抗拉强度/MPa单向抗压强度/MPa顶板粉砂岩48.0砂质泥岩2.40372917.151.9264.0粉砂岩3.75394818.521.8270.6砂质泥岩2.303.56101.0底板粉砂岩6.181.1864.1中粒砂岩3.09343132.546.298.72.2 工作面煤层工作面开采对象为山西组中下部3#煤层,煤层赋存稳定,平均厚6.34m,含二层夹矸,分三个自然分层，其结构为6.34=1.5（0.01）3.63（0.1）1.1。倾角17，平均3，煤岩类型以亮煤为主,暗煤次之，夹镜煤及丝炭条带。2.3 工作面布置及巷道布置方式工作面巷道采用双煤巷布置，即一条运输巷、一条回风巷，工作面运、回两平巷沿走向布置，开切眼沿倾向布置。2.4 回采工作面装备1）液压支架根据该工作面的地质情况、采煤工艺、设备配置等情况，该面中间架选用ZZP4800/17/33型支架、端头（尾）支架选用ZT5600/19/33型支架。ZZP4800/17/33型支架支护强度为4800Pa，大于工作面支护要求3750Pa，所以ZZP4800/17/33型支架可满足工作面支护要求。端头（尾）支架选用ZT5600/19/33型液压支架，支护强度大于ZZP4800/17/33型液压支架，满足支护工作面支护要求。2）工作面初采和收尾采、放形式的确定根据其它采区初采和收尾采、放情况统计，一般情况在综放工作面推出切眼后开始放煤，既能有效提高了煤炭的采出率，并对顶煤的冒落有利；又根据一般情况下收尾时停采线的选择顶板相对稳定的空间，并保证矸石能够压住金属网。因此，7600综放工作面初采在推出切眼后开始放煤；工作面收尾提前15m左右停止放顶煤并铺顶网。2.5 工作面支护、超前支护、端头支护方式1）工作面支护7600综放工作面采用液压支架支护，中间架为ZZP-4800型，共133架。排头架为ZT-5600型，机头三架，机尾三架，全部跨落法管理顶板。表2.2 液压支架参数表支架高度3300/1700mm支架宽度1500mm支护宽度1420/1580mm支护面积7.02m2支护强度0.65MPa底座面积2.5m2底板比压1.98MPa初撑力3958kN工作阻力4800kN泵站压力31.5MPa移架力306/485kN推溜力360kN2）超前支护上、下平巷超前支护距离始终保证超过采动影响应力变化范围，其距离最终通过矿压观测后确定。从工作面煤壁起在每两排锚网支护正中间架设两面平料与单体液压柱组成的双腿棚。运输平巷使用4.00.180.12m的两面平（或3.8m型钢）。回风平巷使用3.50.180.12m的两面平（或3.8m型钢）。两平巷超前支护段的上、下帮的单体柱要分别用拴柱链按规定要求拴好。严禁在工作面及两巷使用加长焊接的单体柱。两巷压力大时，应提前在工字钢梁下或钢筋托架下打点柱加强支护。超前支护段单体柱支撑强度为92kN/m2支护密度为0.625根/m2，符合要求。2.6 工作面回采工艺及放煤工艺工作面设计采高3m，放全部顶煤，循环进度0.8m。采放比为1：1.11,放煤循环步距为0.8m，放煤采用单轮间隔顺序放煤，根据相邻采区放顶煤工作面的回采情况，确定初次放煤步距为68m。3 矿压观测现场实施方案3.1 工作原理及组成综放工作面支护质量监测与矿压观测系统（简称综放监测系统），该系统集采矿新技术、仪器仪表和监控软件为一体，能够准确可靠的处理综放面支架围岩信息，提出控制支架围岩事故的有效技术措施，从而达到降低工作面支架围岩事故，保证工作面正常生产的目的。综放监测系统是一个支架围岩信息获取、处理、反馈、实施的闭环。它始于综放面，采用先进、可靠的仪器获取、显示采面的各种信息，通过使用监控软件科学分析处理以上信息，继而提出控制支架围岩事故的有效措施，并现场整改。在此基础上，通过发布综放面矿压观测日报、综放面事故隐患图与支架失效检测专题报告，及时将信息反馈给矿有关职能部门，实现支架故障及时维修和支架工况保持合理，有效控制支架围岩事故，这样又回归工作面完成一个闭路循环。综放监测系统流程简图如图3.1所示。综放监测系统包括四个子系统，各子系统具有不同的功能。具体如下：1）原始数据采集子系统。原始数据采集子系统在综放监测系统中起着采集工作面原始数据（包括压力量、角度量、长度量及支架失效信息）的职能，是综放监测系统得以正常运转的起点和基础。从工作面采集原始数据，通过目测获得的仅占小部分，大部分通过各种测量仪器（如测杆、直尺、压力表等）来完成。2）监控软件。监控软件的本质内容是一个数据库管理信息系统。它通过对工作面原始数据的管理、维护、处理及分析计算，确定主要监测指标及控制要求，经专家系统分析，提出支架围岩事故控制的有效措施以及提高支架支护质量的措施，发布工作面矿压监控日报、工作面事故隐患图以及专题报告。3）整改系统。整改系统是综采监控软件反馈信息的执行阶段。通过工作面的整改工作，及时处理冒顶和煤壁片帮事故，维修支架等采面设备，保持支架的合理工况，以降低事故发生率。4）综放工作面。信息的来源地和信息的最终回归地。图3.1 综放监测系统流程图3.2 工作面矿压观测实施3.2.1 工作面矿压观测仪器KBJ-60-1矿用数字压力计分机、KBJ-60-2矿用压力数据采集器适用于综采工作面综采支架工作阻力监测，是新一代综采支架压力连续监测的智能化仪表（原称：ZYDC-综采支架工作阻力连续记录仪），俗称“电脑圆图仪”。它是在ZYDC-II的基础上改进的第三代产品。它具有体积小、操作方便、显示直观数据处理功能强等特点，输出的报表格式通用性强。尤其是第三代产品采用了红外无线数据通讯和微功耗电池供电系统，大大提高了仪器的使用可靠性和电源的使用寿命，可长期在井下使用，无需维护，是传统的机械式圆图仪的理想替代产品。1）仪器原理结构系统组成如下图所示，压力分机具有两个（或三个）压力测孔，可同时测量两个（或三个）测点的压力，并连续记录在压力计内，一个工作面可布置120个分机，可使用一台数据采集器进行采集，数据采集器携带至井上后通过无线通讯适配器将数据自动地传送到PC 计算机处理。压力分机 数据采集器 适配器 计算机图3.2 系统组成示意图 数据采集器使用三节5号电池供电；压力分机使用高效电池供电，每更换一次电池可连续使用三年。更换电池应在井上进行（使用厂家提供的本质安全型电池）。2）矿用压力数据采集器主要功能（1）LCD点阵式液晶显示器（具有LED背光显示）,全中文显示,用于输入提示和数据显示；（2）全日历实时时钟显示；（3）轻触式操作键盘，操作方便；（4）数据显示功能，无操作3min自动关机；（5）32K数据存储器，具有数据掉电保护；（6）低电压状态指示和保护；（7）低功耗技术，3节5号电池可连续使用6个月；（8）红外数据通讯功能，传输速率2400kbps；（9）体积小，重量300g。3.2.2 实施步骤综放监测系统的现场应用工作是按照以下的步骤循环进行的：1）现场观测支架围岩信息；2）现场观测时能判定和排除的隐患立即通知工人处理，实现现场及时处理；3）地面计算、分析监控信息，进一步确定监控指标，提出解决支架围岩事故的有效措施；4）发布矿压监控日报、工作面支架围岩事故隐患图及专题报告，并将分析处理过的信息及时反馈给有关职能部门；5）采煤区队根据反馈的信息进行全面整改。3.3 工作面测站布置根据观测内容来确定测区布置。测区布置一般要有代表性，能够反映出整个工作面的情况。在观测期间即初次来压以及三个周期来压期间，设置了10个观测站, 每个测站安装一个压力自动采集仪分别观测支架前柱和后柱压力,布置示意图3.3，该采集仪每隔5min自动记录一次数据，以备连续监测与查询。 回 风 巷10# （128#架）9# （105#架）8# （92#架）7# （79#架）6# （66#架）5# （53#架）4# （40#架）3# （27#架）2# （14#架）1# （1#架） 运 输 巷图3.3 综放工作面测站布置示意图3.4 观测内容及方法观测工作分为常规观测和专题观测。常规观测包括：一是工作面宏观动态观测，它是指从机巷开始，每十架一组，统计出每组的冒顶、片帮参数（最大冒高、冒落范围、最大片深、片帮范围）以及液压支架失效的情况，一直观测到风巷为止，通过宏观观测可以从整体上掌握工作面的动态；二是工作面测站观测，沿工作面布置10条测线，安装压力表进行观测支架前后柱初撑力和工作阻力。用坡度规和测尺观测支架几何位态，用测尺观测顶板动态及煤壁片帮情况。专题观测是指支架失效情况检测，每隔一段时间在观测支架压力的同时逐架进行检测，测完为止，一般采用人工观测的方法。工作面测站观测内容具体为：1）支架内部受力观测分别在10架观测支架的前后立柱下腔安设压力表，每天在生产早班跟班进行支架前后柱的初撑力、工作阻力观测，可取平均值。2）顶板动态观测从工作面上端头开始，工作面共设10条观测线，用测尺和直尺对顶板状况进行统计观测，内容有：冒边距，冒顶宽度，冒顶高度，冒顶始架位，冒顶终架位，片帮深度，片帮始架位，片帮终架位，此项工作在支架受力观测的同时进行，每天早班根据工作面具体情况进行观测，并且贯穿于整个观测的全过程。3）支架工况观测 在进行顶板动态观测的同时，用钢尺、坡度规进行支架工况观测，以求得两者的关系。支架工况主要包括：采高、端面距、顶梁走向角、顶梁倾向角、顶梁台阶以及运输机的走向角与倾向角。同时，对采面所有支架应逐架统计各机械元件有无损坏，液压系统有无漏液，此项工作每天或若干天观测一次。3.5 数据信息分析处理从工作面采集的信息是一个新的多质多变量的大样本集合，采用人工处理不仅费工费时和极其繁琐，处理结果受处理者经验和技能高度制约，而且大样本多变量观测数据的统计分析处理在一般情况下是手工无法完成的。特别要采用数学方法计算分析监测信息的变化规律，确定支架围岩事故的监控指标体系及关键影响因素指标，这些方法求解过程复杂、处理的信息量很大。因此应采用计算机进行数据分析处理，综采监控软件成功地完成了这一工作，实现了信息分析处理快速、简便、可靠、高效、准确，输出的监控日报和专题报告等结果直观、明了。监控软件的数据分析处理过程如图3.4所示。图3.4 监控软件的数据分析处理过程数据分析处理工作具体可分为两部分：一是日常输入、计算整理数据，包括输入数据(输入日报数据、输入观测线数据、输入支架初撑力和工作阻力数据、输入工作面宏观动态数据)，通过计算分析分别打印出监控日报，工作面宏观动态事故隐患图等图表；二是对于数据库中的数据运用层次分析、统计分析及模糊聚类分析等方法进行分析处理，确定主要监控指标，并根据处理结果提出支架围岩事故处理措施，随着监控日报一并发布。图3.5为总的数据处理分析流程图。图3.5 数据分析处理流程4 矿压观测结果及分析4.1 工作面顶煤、直接顶及老顶垮落步距的观测4.1.1 工作面专项矿压观测1）工作面顶煤垮落情况7600工作面长200m，运输平巷长750m，回风平巷长730m，可采长度680m。工作面巷道采用双煤巷布置，即一条运输巷、一条回风巷，工作面运、回两平巷沿走向布置，工作面沿倾向布置，正常推进。在工作面距离切眼2.8m时，架后顶煤开始垮落，在工作面距离开切眼6.2m时支架后顶煤全部垮落。初次放煤步距为68m。2）工作面直接顶垮落步距工作面在顶煤初垮后不久工作面支架后部见矸，根据现场观察和支架压力数据分析，可确定工作面直接顶初次垮落步距为：14.5m。 4.1.2 工作面常规矿压观测图4.1、图4.2和图4.3为工作面14号、66号和105号支架平均工作阻力与推进距关系曲线，其中工作面下部（146号架）以14号支架为代表，中部（4792号架）以66号支架为代表，上部（93139号架）以105号支架为代表；从中可以清楚地了解工作面初次来压和前三个周期来压的情况。 自工作面进行开采以来，到工作面开始发生初次来压时，工作面平均推进距为27.7m，当时来压显现并不特别明显，主要表现在工作面下部和中部部分支架压力升高，支架下沉，煤壁片帮与顶板冒顶明显增加。到工作面平均推进距为28.9m时，支架工作阻力明显升高，支架高度降低，工作面冒顶片帮严重。到第三日初次来压基本上已过去，来压期间工作面平均推进了5.2m。图4.1 工作面14号支架平均工作阻力与推进距关系 图4.2 工作面66号支架平均工作阻力与推进距关系 图4.3 工作面105号支架平均工作阻力与推进距关系表4.1 7600工作面顶板周期来压特征表来压序号下部中部上部来压步距/m支架载荷/MPa动压系数来压步距/m支架载荷/MPa动压系数来压步距/m支架载荷/MPa动压系数平时来压平时来压平时来压113.925.1332.671.3013.117.2121.001.2212.417.6521.341.19211.819.5421.501.1011.519.6724.001.2011.218.2624.831.25312.822.7623.671.0412.824.2330.331.0912.825.0730.331.21 表4.1为7600工作面顶板周期来压特征表。工作面出现第一次周期来压时，工作面平均推进距为40.2m，当时工作面推进速度较慢，工作面下部支架压力明显增大，煤壁平整，片帮现象较少，但冒顶现象严重。到次日早班时工作面平均推进距为41.0m，来压显现最为强烈，表现为大部分支架高度降低，片帮冒顶严重，这主要是由于工作面推进速度缓慢所至，.此次来压到第二日已基本过去，来压期间工作面推过了3.2m左右。第二次周期来压时工作面平均推进距51.7m，主要判断依据是工作面支架工作阻力升高，总的来说，这次周期来压并不明显，只是表现在支架工作阻力增大和片帮、冒顶严重，对生产未造成大的影响。总体看来，第二次周期来压没有第一次周期来压强烈，影响范围变小。第三次周期来压来临时，工作面平均推进距为64.5m，表现为大部分支架高度降低，冒顶严重。总的来说，老顶初次来压现象并不明显，主要表现在工作面下部和中部部分支架压力升高，支架下沉，煤壁片帮与顶板冒顶明显增加。老顶第二次和第三次周期来压显现没有第一次周期来压显现明显，周期来压步距也不尽相同。4.1.3 工作面顶板稳定性评定7600综放工作面老顶初次来压步距为28.9m（不包括切眼宽度7.5m），老顶来压时显现不明显。7600综放工作面直接顶顶板属中等稳定，初次垮落步距为14.5m。老顶为来压不明显的顶板，周期来压步距最大为13.9m，最小为11.2m，平均12.55m。4.2 支架支护质量监测4.2.1 泵站压力与支架初撑力在7600工作面进行支架支护质量监测工作的一个主要内容就是要保证支架的初撑力，并将其作为支护质量得以改善的核心。从实际情况看，利用测站支架上安装的压力表进行现场监测监督，支架能达到的初撑力还是比较低。导致初撑力低的主要原因一是泵站压力较低，图4.4是每天所观测的泵站压力曲线图，造成泵站压力偏低的原因是液压输送管路承受压力不高，容易产生爆裂；二是支架漏液；三是液压支架前柱不接顶，使得前柱支护阻力太小或者为零，后柱支护阻力相对前柱过大，但部分也没有达到预定值，使得整个支架以后柱为支撑点发生旋转，导致液压支架顶梁抬头（仰角）过大，造成工作面顶板管理困难。经过整改检修，泵站压力情况有了很大的改观。图4.4 泵站压力曲线图图4.5 7600综放工作面支架初撑力直方图由图4.5可以看出，该面支架的初撑力分布呈似正态分布，说明支架的工作特性比较稳定，能够适应本面的生产条件；但也可看出支架初撑力集中在29003500kN/架的范围内，意味着支架的初撑力较低，主要原因是升架时没有按要求操作，使得支架初撑力较低，没有达到规定的初撑力值，这种工作状态对生产管理不利，容易给顶板管理带来困难，严重时影响生产。4.2.2 支架工作阻力图4.6是工作面支架平均工作阻力随日期的变化曲线图。从图中可知，在初次来压和三次周期来压期间，工作面支架的平均工作阻力明显提高，在曲线中表现为峰值，其中尤以初次来压和第一次周期来压为猛。通过对比支架架高（图4.8），正好与支架高度的降低阶段相对应。其中工作面下部（146号架）以14号支架为代表，中部（4792号架）以66号支架为代表，上部（93139号架）以105号支架为代表。图4.6 支架平均工作阻力随日期变化曲线图4.2.3 支架前后柱阻力对比表4.2 7600工作面前、后柱阻力对比表测区架号初撑力/kN/柱末阻力/kN/柱前柱后柱前-后前柱后柱前-后上128#77067199849704145105#745620125875688187中66#79862916990970220792#763626137933728205下40#75656119589365024314#725616109857680177全面平均759.5620.5139886692194由表3.2可以看出，该面支架前柱阻力普遍大于后柱，其中前柱与后柱初撑力最大差值为195kN/柱，最小差值为99kN/柱；末阻力最大差值243kN/柱，最小差值为145kN/柱。这是由于支架上方顶煤破坏处于变化之中，后部顶煤刚度较小，支撑强度较低，而顶煤不断被放出，使顶煤作用在支架上的作用点前移，从而表现为前柱大于后柱。4.2.4 工作面倾斜方向压力分布受煤层倾角、开采边界条件、回采工艺、煤岩赋存条件及支护质量等因素的影响，工作面沿倾斜方向的压力会有所不同。实测分析得到工作面在来压期间和非来压期间沿倾斜方向的压力分布，如图3.7所示。（a） 工作面非来压期间时间加权阻力（b） 工作面来压期间时间加权阻力图4.7 顶板压力沿工作面面长方向分布情况分析结果表明，来压和非来压期间工作面顶板压力沿工作面倾斜方向都呈现出两端头压力低，而中部压力相对较高的现象，如来压期间，中部阻力分别是上下两端头末阻力的1.28倍和1.27倍。由此可知，工作面顶板管理的重点是要切实加强中部顶板的控制，防止片帮和冒顶的发生。4.2.5 工作面支架高度本次观测自8号后测量的支架高度是支架前后活柱高度，取的平均值。图4.8是每天支架在观测期间的活柱高度平均值随日期的变化趋势。从图5.8中可以看出随着工作面的推进，支架活柱高度分布不均匀，1月8号、13号和18号支架活柱高度较低，这与顶板来压基本相符合。图4.8 支架平均高度随日期变化曲线图4.2.6 支架工况1）7600工作面支架工况即支架几何位态主要存在以下几个问题：（1）支架顶梁上方冒空，导致支架超高，接顶不实；（2）支架顶梁有抬头现象；（3）支架不整齐；2）导致支架工况不好的原因主要有：（1）煤层起伏变化大；（2）煤质松软，易冒落；（3）工作面中部顶板破碎；（4）支架有泄漏情况，导致顶板下沉量大；（5）移架工没有完全按照要求移架；4.2.7 片帮、冒顶7600工作面在生产过程中，由于受工作面老顶初次跨落和周期来压的影响，冒顶、片帮比较严重，尤其54号架至64架、105架至112架之间片帮冒顶比较严重，对生产造成了一定影响。究其原因一方面是由于煤层松软强度小，顶板破碎软弱；另一方面是由于支架没对顶板形成有效支护，移架时没有带压移架导致顶板破碎。应采取各种有效的措施，保障工作面的顺利快速推进。4.3 工作面存在问题与原因1）支架工况不正常，主要表现：支架有抬头现象。支架抬头时，支架的支撑能力减弱，尤其是对端面顶板的水平支撑力方向指向采空区，加速了端面顶板的破碎与冒落，更导致了支架的支撑能力降低，不利于对顶板的控制。顶板冒顶严重，造成支架接顶不实，空顶较多；形成顶梁台阶、支架歪斜；2）支架工