王庄煤矿超长综放工作面矿压显现规律及顶板控制研究

王庄煤矿超长综放工作面矿压显现规律及顶板控制研究

目前，经过实验、开发、推广和改进的几个阶段，全采采煤技术已成为具有中国特色的厚煤层开采的高产、高效采采技术。如何进一步改进综合生产技术，提高车间主体产量，合理集中生产，促进煤气工业的发展，是许多煤炭相关人员面临的主要研究主题之一。国外先进采煤国家的成功经验表明,不断加长工作面长度已成为矿井高产高效集中生产的主要技术方向之一.综放工作面长度的加大,不仅能提高工作面单产、方便巷道布置、简化生产系统、有利于矿井高度集中生产,而且能提高矿井资源采出率,并有利于地表建筑物(如铁路、国道等)的保护.但工作面长度受到工作面配套设备的装备水平、通风及安全等条件制约,顶板管理难度增大,设备故障增加,劳动组织复杂.因此在工作面采场控制技术等方面必须采取一些特殊的措施,以确保超长综放工作面的安全生产和高产高效.本文以潞安王庄煤矿4326超长综放工作面为例,分析了超长工作面矿山压力显现规律,并就支架运转特性、端面顶板(煤)的控制等方面提出了具体的控制措施.143工作面概述王庄煤矿4326综放工作面采3号煤层,煤厚6.86～7.14m,f=2～3,煤层埋藏深度225～243m;煤层内共含夹矸5层,厚度0.49m,f=1～3.直接顶为砂质泥岩,平均厚度2.45m,f=1～3.老顶砂岩,平均厚度17.47m.直接底砂岩,平均厚度1.8m,f=3～8.老底砂质泥岩,平均厚度5m.在煤层之上46.47m处是8.55m厚的砂岩,经判断,该层砂岩是主关键层,它的破断将对采场产生强烈的矿压显现.该面整体上是一个向切眼方向倾斜的单斜构造,煤层倾角0～12°,在工作面后半部90～140号架有4条走向与工作面推进方向基本一致的断层,落差为0.52～1.1m.整个工作面节理、裂隙、层理发育,尤其是在断层前、后属地质破碎带.另外该处还存在一个背斜褶曲,褶曲轴向与工作面走向趋于一致,倾角为2～3°.工作面采用倾斜长壁低位放顶煤一次采全高,全部垮落的综合机械化采煤法,沿煤层倾斜方向由西向东推进,仰斜开采,西与6111已采面相连,南北为未采面.根据4326工作面煤层地质条件、设备装备水平及管理水平,考虑到4326工作面上方地表309国道的保护,选定工作面长度为270m.这是目前我国最长的综放工作面.工作面采用174组ZZP4800-17/33F型支架,两端头采用两套ZT19200-18/3端头架配合4组ZPT8750-17/32排头架管理顶板.工作面采高3m,放煤高度4m,一采一放为一循环,循环进度0.8m.ZZP4800-17/33F型放顶煤支架参数为:初撑力3958kN,工作阻力4800kN,支护面积7.02m2,支护强度0.65MPa.2延长广泛空间的矿压突出规律2.1工作面老顶的初次和周期来压当工作面从切眼推进5.5m左右时,顶煤初次垮落,垮落高度2～3m,随工作面继续推进,当机巷侧推进11m,风巷侧推进7m时,顶煤全厚度垮落,且块度较大.顶煤初次垮落后,支承压力的破煤作用不断提高,同时也为顶煤的继续垮落开出了自由面.因此进入正常推进阶段,顶煤可随采随冒.直接顶的垮落滞后顶煤一定距离(5m左右),初垮期间工作面也产生一定程度的矿山压力显现.随着工作面的不断推进及顶煤和直接顶的不断冒落,老顶的悬跨度不断增大.据实测,老顶的初次垮落步距为21.8～25.0m,且沿工作面长度方向出现不同步特性,即工作面加长以后,老顶来压呈现中间段超前、两端头落后的特征,并且工作面上、中、下部老顶来压步距也不一致.同时由于90～140号架之间断层的存在,也使得这种现象更为明显.4326超长综放工作面老顶的初次和周期来压对工作面造成比较强烈的矿山压力显现,主要表现为支架阻力急剧上升,煤壁片帮,在工作面还能听到顶板断裂发出的声音.2.2液压支架支撑量的特征分析在实测中发现,工作面正常推进过程中,老顶的来压将引起工作面比较强烈的矿压显现,但此时支架工作阻力仍有一定的富裕,支架安全阀还没有达到开启的程度.而当工作面推进到80～90m时,工作面矿压显现突然加剧,煤壁片帮深度在1.0m以上,并且几乎整个工作面范围都出现片帮,端面上方部分区域出现断裂线,裂缝宽度达20～30mm.继煤壁片帮后,即出现支架迅速增阻,速度达400kN/(架·h),支柱迅速下降,个别支架后柱可缩量仅剩50～60mm,支架空间变小,安全阀开启率达22%.岩层移动与地表沉陷的实测结果如图1所示,4326工作面在推进60m时,地表开始出现下沉,1999-07-07推进到84.5m时,地表下沉最大0.92m,超前影响55m,影响角77°,地表有裂隙出现,局部隆起,地表下沉盆地开始出现,最大下沉点的下沉速度为0.1m/d.由此可以推断,当工作面推进到85m左右时,上覆主关键层破断,导致地表沉陷加剧,造成工作面支架安全阀开启,达到或超过其额定阻力值.称这种由于上覆主关键层破断而对工作面产生强烈矿压显现的现象为主关键层来压.现场实测4326超长综放工作面主关键层来压时的强度远大于老顶来压时的强度.工作面液压支架来压时的动载系数见表1.由此可以看出,在超长综放工作面,直接顶和老顶的垮落对工作面产生较明显的矿压显现,但其强度远远不及上覆主关键层破断对工作面的影响,也就是说,回采工作面矿山压力显现程度主要受上覆主关键层破断的影响.主关键层的破断将会引起地表充分的沉陷,同时给工作面带来强烈的矿压显现.2.3工作面长度延长4326超长综放工作面观测期间,支架阻力随推进度的变化关系如图2所示,支架工作状态沿工作面长度方向的分布见表2.实测支架初撑力平均值为1288.2kN,仅占额定初撑力的32.5%.工作面实际初撑力偏低,其主要原因:(1)工作面长度加长以后,泵压损失较大;(2)支架工况不是很好,串液漏液现象严重.因此必须采取措施提高支架初撑力,尤其在来压期间更应注意,以减少顶板活动对采场的影响,确保工作面端面顶板的完整.实测最大平均工作阻力3734.1kN/架,占额定工作阻力的77.8%,实测最大工作阻力即为额定工作阻力,这时支架的安全阀开启.时间加权平均阻力平均3466kN/架,占额定工作阻力的72.2%.从上面的分析可以看出,4326综放工作面所选用的ZZP4800-17/33F型放顶煤液压支架的工作阻力基本满足要求.当上覆主关键层破断时,工作面个别支架安全阀开启,达到额定工作阻力值,大部分支架的工作阻力还没有达到额定值.3采区底板压力技术人员及长距离综合开采区的深加工技术3.1工作面支架初撑力分析工作面支架运转特性的频率分布如图3所示.整个工作面范围内支架处于初撑状态的占36.6%,一增阻状态的占49.7%,二增阻状态的占6%,多增阻状态的占0.9%,而处于降阻状态的占6.5%.因此从整体上看,初撑和一增状态占86.3%,支架运转状况良好.由沿面长的分布可见,在工作面两端90%以上都处于初撑和一增状态,其中机巷侧处于初撑的为60%.由此可见,两端支架受顶板活动的影响较小,并且机巷侧支架的载荷小于风巷侧.与工作面两端相此,中部支架受顶板活动的影响较大,初撑和一增状态的占69.6%,处于二增的占15.4%,而降阻也明显高于两端,达11.9%.同时,由表1,2可见,工作面中部8,129号支架来压动载系数和支架阻力最低,这是由于在超长综放工作面中部的支承压力较大,下位顶煤较为破碎,以及移架时顶煤的冒落造成的.由前述可知,工作面支架初撑力平均值只占额定初撑力的32.5%,大于额定初撑力70%的只占10.56%.在工作面正常推进过程中,局部地段出现煤壁片帮和冒顶,在顶板来压时刻,特别是主关键层来压时,冒顶片帮比较严重,甚至对生产造成一定的影响.由此看来,支架设计初撑力是可以满足要求的,但工作面支架实际初撑力却很低,需要采取一些措施,确保端面不冒顶和煤壁不片帮.3.2施工措施预防在采用综放支架以后,工作面顶板控制的重点是煤壁和支架顶梁之间的无支护空间,即端面顶板(煤),而其冒落情况与顶煤强度、节理发育情况、矿山压力大小、控顶距等因素有关.4326超长综放工作面在1999年6月1日至7月20日的观测期间(试采期)内端面顶煤完整情况见表3.由此可见,在整个工作面范围内,端面顶煤的完整性和煤壁片帮情况在工作面不同地段,情况不同,这主要与工作面内的局部地质构造有关.在101～140号架处的端面冒顶和煤壁片帮已经对生产造成一定的影响,因此必须采取一定的措施加以预防.(1)保持支架的完好,试采期间支架串液、漏液现象严重,经常有支架(特别是中部支架)控制阀损坏,工作面支护质量不好.据统计,由于支架的串液漏液,在2h内,就要消耗4箱乳化液.因此在实际操作中及时对支架及其管路、阀组进行大修、更换,这样改善了支架的工作状况,较好地维护了顶板的完整性.(2)追机及时支护,封闭工作面端面顶板,加快工作面推进速度,减轻工作面矿压显现程度,缩短控顶距,及时护顶.(3)确保泵站压力,采用双回路供液,提高支架初撑力.工作面加长以后,乳化液系统存在较大的压力和流量损失,导致工作面支架初撑力不高,移架速度慢.另外,工作面乳化液泵站设计压力31.5MPa,要求泵压p≥30MPa,但井下观测结果是泵站压力在30MPa以下.因此在生产过程中对乳化液泵站进行了改造,将工作面支架分成两部分,增加一台泵站,采用双泵双回路供液.改造后的泵站供液系统如图4所示.经过改造后,支架初撑力的值有一个很大幅度的提高,见表4.由此可见,实测支架初撑力的平均值由原来占额定值的32.5%提高到71%,达到2810kN,支架工作阻力也有较大幅度的提高,支架的支护推移时间缩短.割煤后暴露顶板在其自稳时间内得到了有效支护,控制了顶板下沉,减缓了煤壁上方顶煤的变形及裂隙贯通,减少了端面冒顶事故,而且一直保持了顶煤架前完整和架后破碎的理想放煤状态,工作面的支护状况发生了显著的变化.4采场矿山压力的现状与特征潞安王庄煤矿4326综放工作面的长度为270m,