特厚煤层放顶煤开采矿压显现规律研究.docx

煤炭科技 开拓与开采特厚煤层放顶煤开采矿压显现规律研究刘宝珠马亚杰章之燕（开滦 （集团） 有限责任公司唐山矿业分公司， 河北省唐山市， ；河北联合大学 ，河北省唐山市，）摘 要 采用现场矿压观测和计算机数值模拟对唐山矿特厚煤层综放工作面矿压显现规律进行了分析研究。 矿压观测表明， 工作面来压周期性较明显， 呈现高频 率、 低 强 度 的 特 征， 平均周期来压步距为 。 整个工作面全长范围内， 老顶来压具有明显的 不 一 致 性， 即中部来压强度大， 上部和下部来压强度小， 上部高于下部。 计算机数值模拟结果与现场矿 压观测结果基本一致。关键词 特厚煤层 综采 放顶煤开采 矿压显现规律 数值模拟中图分类号文献标识码，（ ，；，） ， ， ：， ， ，综采放顶煤技术作为一种新的开采方法已在各种地质条件如特厚煤层、 较薄厚煤层以及复杂厚煤 层中得到应用， 并且在我国各个矿区都取得了较好 的经济效益和社会效益， 但同时也面临着诸多技术 难题需要深入研究。 如特厚煤层放顶煤开采的矿山 压力显现规律还有待研究。 为合理选择综采放顶煤 开采的工艺参数， 本文对唐山矿特厚煤层放顶煤开 采矿山压力显现规律进行了研究。工作面概况唐山矿 工作面开采 煤层，工作面位于唐山矿铁二区东南部， 南与本区域 采空区相 邻，北与 工作面相邻， 西 至 本 煤 层 未 采 区。 煤层最大倾角，最小倾角，平均；煤层厚 度最大，最小，平均，中间夹有层矸石，沉 积 稳 定； 该 工 作 面 走 向 长 度 ，倾斜长度，埋藏深度。特厚煤层放顶煤开采矿压显现规律研究工作面 煤层顶底板柱状见图。量的 ， 后柱占 ， 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。表 工作面支架载荷分布表初撑力工作阻力测站位置前柱后柱前柱后柱机头中部 机尾 平均 图 工作面 煤层顶底板柱状图工 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， 支承压力峰 值距煤壁距离为， 应力微增区分布范围为 。矿压测点布置及结果分析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 部分 各设置 组测站， 测站距输送机机头 ， 测站距输送机机头 ， 测站距输送机机尾 。每 组测站选 架支架， 每架支架安装 块圆工 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 工作面， 初次来压步距为 ， 动载系数， 支架 工作阻力利 用 率 在 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 。（） 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。图压 力 自 记 仪（前、 后 立 柱 各 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 组 测站，分别为 测站、 测站和 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。 支架 载荷和工作面超前支承压力监测布置示意图见图。图支架载荷和超前支承压力监测布置示意图工作面矿山压力现场观测结果计算机数值模拟分析工 作 面 支 架 平 均 工 作 阻 力分 布规律模型的建立建立模型时， 上部结构采用大变形梁 的 形 式， 其位态由 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中国煤炭第 卷第 期 年 月由工作面内测站观测得到工作面支架平均工作阻力分布情况， 见表。 由表 可以看出， 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 ， 后柱占 。 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方式加在上 部 边 界 上。 在 上 部 边 界 一 端 从 到 单元施加 的应力， 到 单元施加应力从 逐渐变化为 ， 到 单元 施 加 应 力从 逐渐变为 ， 到 单元施 加应力由 逐渐变为。的实际观测， 工作面的推进速度不低于 。（）工作面来压时基本是中部先来压，然后向两 侧伸展；当机头机尾不平行推进，机头超前时，靠近 机头的一侧中部先来压，而后向两侧伸展。一般情况 下工作面中下部压力较大，在工作面上下机头区域来 压不明显，此压力分布与工作面布置有关系。（） 当工作面来压在中下部时煤壁片 帮 较 大， 片帮深度最大达到 以上，造成支架端面距增 加，控顶范围增大，机道上方顶煤形成破碎冒落区， 使支架接顶性能差，造成工作面顶板出现下沉。数值模拟结果分析（） 垂直应力在工作面前方 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 处 达到峰值， 而在距工作面 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 ， 与 实 测顶板压力控制方法（） 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 ， 两巷相邻煤柱尺寸一般不超过 ， 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。（ ） 吻 合， 证 明 了 由 于 开 采 厚 度 增 加，结果支承压力范围增大， 工作面处于低压区内， 因此，支架载荷没有显著变化。 工作面矿压显现规律的特征通过对开滦唐山矿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， 综采放顶煤开采工作面矿压显现规律具有如下特征：（） 工作面顶板来压显现较明显， 初次来压步 距为 ， 基 本 顶 周 期 来 压 步 距 平 均 。 由 于工作面采放厚度大， 采放比在局部为 以上 时， 采空区顶板活动层位高， 来压强度较大， 支架 安全阀开启 次 数 频 繁， 达 到 额 定 工 作 阻 力 的 。（） 顶板未出现冲击来压现象， 顶板超前煤壁 产生断裂， 以缓 慢 的 回 转 运 动 为 主。 当 工 作面具有合理的推进速度 （ ） 时， 顶板 运动向采空区方向缓慢下沉， 循环内支架活柱下缩 量为 ， 后 柱 阻 力 明 显 高 于 前 柱， 来 压 步距为 ； 当工作 面 推 进 不 正 常 或 停 产 时 间长时， 顶板一般向煤壁方向回转下沉， 造成机道 顶板台阶下沉， 支架阻力急增， 安全阀开启， 小时 内支架活柱下缩量最大达 ， 来 压 步 距 ， 显 现 为 工 作 面 整 体 来 压。 为 此， 保 证 工 作 面的合理推进速度对顶板管理极为有利， 根据现场特厚煤层放顶煤开采矿压显现规律研究结论（） 工作面液压支架平均初撑力架，为额定初撑力的 ； 平均工作阻力为 架， 为额定工 作 阻 力 的 ， 支 架 的 工 作 阻 力 尚 未得到充分的发挥。（） 工作面支架初撑力分布均匀； 沿工作面倾 斜方向， 支架的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（下转第 页）能够实时掌握井下人员的准确位置及活动轨迹，地面监控及调度中心能够根据系统提供的数据及时采 取相应的救援措施， 提高了应急救援的工作效率和 井下矿工的安全系数。参考文献：苟怡， 郭海军 精 确 定 位 技 术 在 煤 矿 井 下 的 应 用 研 中国煤炭， （）究图精确定位标签静态定位误差史大伟， 何继 兰 煤 矿 井 下 人 员 定 位 系 统 关 键 技 术图 展示了精确定位标签以的速度在距离读卡器 之间的移动定位误差。 从该 图可以看出， 本系统能准确实时的定位出精确定位 标签的移动轨迹， 同时定位误差均在 之内。探讨 煤矿机械， （）徐春妹 基 于 的 无 线 定 位 技 术 及 应 用矿山机械， （） 何燕， 胡捍英， 周山 一种新的 无线定位算法 无线电通信技术， （）郭海军， 郭江涛 射频技术在煤矿人员定位系统中的应用 矿业安全与环保， （）黄绪勇，李国义，杜鹏等 基于射频技术的井矿智能标识卡的设计 煤矿机械， （）图精确定位标签移动定位误差作者简介： 吴畏（），男，汉族，重庆人，工程师，硕士，现就职于中煤科工集团重庆研究院无线通信所，主要研究方向为井下无线通信技术。结语基于 技术的煤矿井下人员精确定位系统（责任编辑路强）檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶（上接第 页）前柱载荷约占载荷总量的 ，后柱占 ， 前后柱工作主力分布比较合理。（） 初次来压步距， 动载系数； 周期来压呈现为高频率、 低强度的 特 征， 平均来压步距 。（） 由于采用了放顶煤开采， 增加了开采的厚 度， 使得采动影响范围增大， 导致了上覆岩层平衡 结构形成的层位更高。 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。（） 放顶煤开采的采出率与架型的选择与放顶 煤矿压显现规律有关。 而综放开采矿压显现规律和 顶煤岩运移破坏特征是选择放煤工艺、 支架架型的 理论基础。 因此， 必须深入研究特厚煤层综放开采 矿压显现 规 律， 才 能 有 效 地 掌 握 顶 煤 运 移 破 坏 特 征， 提高放顶煤的回收率。参考文献： 煤矿开采， （）步研究毛德兵， 王延 峰 等 数 值 模 拟 方 法 确 定 综 放 工 作 面支架工作阻力 煤矿开采， （）王占银， 侯树 宏， 张 伟 等 大 采 高 综 采 工 作 面 矿 压显现规律研究 煤炭工程， （）王明中， 孙小 岩， 吴 昊 钟 等 大 型 综 采 放 顶 煤 工 作 中 州 煤 炭，面矿压 显 现