專題-淺析大采高綜采面礦壓顯現(xiàn)特征與控制

專 題 部 分淺析大采高綜采面礦壓顯現(xiàn)特征與控制摘要：針對(duì)大采高綜采工作面采場(chǎng)頂板巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律有其特殊性的特點(diǎn)，著重研究大采高綜采工作面的礦壓顯現(xiàn)特征及其規(guī)律、工作面采場(chǎng)圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及圍巖塑性破壞場(chǎng)的分布規(guī)律以及大采高綜采工作面煤巖組合力學(xué)模型及其控制。關(guān)鍵詞：大采高綜采，礦壓顯現(xiàn)特征，支承壓力分布，頂板控制0 引言目前，在我國一次能量消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭占75%以上。煤炭不僅是我國的基本燃料，又是重要的工業(yè)原料，電力、鋼鐵、石油加工、水泥、化學(xué)原料五大行業(yè)都離不開煤炭，因此，煤炭工業(yè)的發(fā)展直接關(guān)系到國計(jì)民生。為使我國能源戰(zhàn)略持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，必須穩(wěn)步高效地發(fā)展煤炭工業(yè)。我國是世界上煤炭資源最豐富的國家之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，己知含煤面積約55000k了，探明總儲(chǔ)量在9000億t以上，居世界前列。自1989年，我國一直是世界第一大煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，煤炭產(chǎn)量占世界煤炭產(chǎn)量的1/4以上，而緩傾斜厚煤層煤炭產(chǎn)量又占我國總產(chǎn)量的40%以上，我國很多礦區(qū)賦存有3. 56. 0m厚的煤層，這類煤層在邢臺(tái)、開灤、徐州、充州、淮北、阜新、雙鴨山、義馬、西山、銅川、陽泉等礦區(qū)均為主采煤層。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭工業(yè)日趨向大型化、集中化、高產(chǎn)高效方向發(fā)展，建設(shè)高產(chǎn)高效礦井，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益己成為煤礦企業(yè)的基本經(jīng)營理念，尤其是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的激勵(lì)機(jī)制極大地促進(jìn)了采煤技術(shù)與裝備水平的快速發(fā)展。我國在引進(jìn)國外大采高裝備技術(shù)后，綜采工作面日產(chǎn)量可達(dá)萬噸，取得了舉世矚目的成績。據(jù)目前國內(nèi)外開采技術(shù)的發(fā)展，大采高綜采是指采高在3. 56. 0m，工作面使用大功率雙滾筒采煤機(jī)和重型刮板運(yùn)輸機(jī)割、運(yùn)煤，用大噸位液壓支架(支架工作阻力、單架支護(hù)面積和支架支撐高度大)控制頂板，一次采全高的綜采技術(shù)。其設(shè)備趨于大型化、重型化和自動(dòng)化，其特點(diǎn)是技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、裝機(jī)功率大、生產(chǎn)效率高。對(duì)于煤層傾角小于30的厚煤層(3.56.0m)開采，大采高綜采與綜采采煤法相比，具有下列優(yōu)點(diǎn):煤炭資源回采率高;煤炭含研率低;回采工作面煤塵、煤的自然發(fā)火和瓦斯涌出安全性好;對(duì)于34m不適宜綜采開采的厚煤層，大采高具有工效高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。大采高綜采與分層開采相比，具有下列優(yōu)點(diǎn):工作面生產(chǎn)能力大，有利于合理集中生產(chǎn);回采工效和煤炭資源回收率高、巷道掘進(jìn)率和維護(hù)量低;回采工藝和巷道布置簡化，綜采設(shè)備搬家次數(shù)少，搬家費(fèi)用省，增加生產(chǎn)時(shí)間;節(jié)省材料(人工假頂材料等)和回采成本低等。高產(chǎn)高效大采高綜采生產(chǎn)能力大、回采率高、安全條件和經(jīng)濟(jì)效益好，是目前國內(nèi)外厚煤層(3. 56. 0m)開采技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，其優(yōu)勢(shì)使得在國內(nèi)外被廣泛采用。但是，經(jīng)過礦山實(shí)踐和許多專家、學(xué)者多年的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及理論研究發(fā)現(xiàn)，大采高綜采與一般綜采(采高6002350455560700345058572090045006508001000沙曲礦24101工作面來壓時(shí)的最大平均載荷為5649kN/架，其支護(hù)強(qiáng)度為890kN/ml，相當(dāng)于III- IV級(jí)來壓強(qiáng)烈頂板所需支護(hù)強(qiáng)度，但實(shí)際上由直方圖及實(shí)際觀測(cè)可知，動(dòng)載系數(shù)均小于1.4，而且工作面礦壓顯現(xiàn)不明顯，來壓無沖擊載荷，說明該類頂板來壓并不強(qiáng)烈，但如果按照II、III級(jí)頂板估算其支護(hù)強(qiáng)度，僅650 kN/m，或800 kN/mz，顯然E匕實(shí)際所需最大平均支護(hù)強(qiáng)度890kN/m2低27%和10%，即按照表中II,III級(jí)頂板設(shè)計(jì)，其支護(hù)安全可靠性大大降低，說明24101大采高綜采面的支架承受的載荷比普通綜采高。 康家灘礦88101工作面來壓時(shí)的最大平均載荷為7591kN/架，其支護(hù)強(qiáng)度為1012kN/mz，相當(dāng)于W級(jí)來壓極強(qiáng)烈頂板所需支護(hù)強(qiáng)度，但實(shí)際上由直方圖可知，該工作面并無沖擊載荷，而且動(dòng)載系數(shù)均小于1. 4，說明該類頂板來壓并不強(qiáng)烈，但如果按照II級(jí)或III級(jí)頂板估算其支護(hù)強(qiáng)度，僅650 kN/mz或800 kN/m，顯然比實(shí)際所需最大平均支護(hù)強(qiáng)度1012 kN/mL低36%和21%，即按照表中II , III級(jí)頂板設(shè)計(jì)，其支護(hù)安全可靠性大大降低，說明88101大采高綜采面的支架承受的載荷比普通綜采高。寺河礦23101工作面來壓時(shí)的最大平均載荷為8228 kN/架，其支護(hù)強(qiáng)度為930kN/mz，相當(dāng)于III ,W級(jí)來壓強(qiáng)烈頂板所需支護(hù)強(qiáng)度，但實(shí)際上由直方圖可知，如果除去初撐力過低和過高的因素外，其頂板真是的直方圖應(yīng)為正態(tài)分布，動(dòng)載系數(shù)為1. 52，該工作面為II一m級(jí)來壓明顯的頂板。但如果按照II級(jí)或III級(jí)頂板估算其支護(hù)強(qiáng)度，僅650 kN/mz或800 kN/m2，顯然比實(shí)際所需最大平均支護(hù)強(qiáng)度930 kN/mz低30%和14%，即按照表中II , III級(jí)頂板設(shè)計(jì)，其支護(hù)安全可靠性大大降低，說明23101大采高綜采面的支架承受的載荷比普通綜采高。造成上述情形的原因是隨著采高的增加，直接頂垮落的巖石不能充滿采空區(qū)，基本頂巖層層位必然上升，即對(duì)支架有影響的巖層移動(dòng)的層位增高，雖然采場(chǎng)內(nèi)無沖擊載荷，但其靜載較大，890kN/m, 1012 kN/mz, 930kN/m，分別相當(dāng)于各大采高綜采工作面約8倍采高的巖重。其次，由于采高的增加，回采后頂板的變形位移也要增大，原來認(rèn)為是基本頂?shù)膸r層，部分因變形增大而變成可隨支架及時(shí)垮落的直接頂，而且基本頂也會(huì)隨著上移，由此也造成需控制的巖層層位升高。2)大采高綜采工作面頂板控制的力學(xué)模型根據(jù)上述礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析，對(duì)于大采高綜采工作面我們建立一個(gè)以靜載計(jì)算為主的力學(xué)模型，參見圖4-3。圖4-3 大采高綜采面煤巖組合力學(xué)模型 圖中L為控頂距， 為需控制巖層總厚度，為所控制巖層平均破斷角。故支架載荷P為需控制巖層的重力Q;與控制巖層的懸頂重力Q:之和，即: 式中:B為支架支護(hù)寬度。4.2大采高綜采工作面煤巖組合力學(xué)模型計(jì)算實(shí)例1）沙曲礦24101工作面支架工作阻力的確定沙曲礦24101工作面頂板為砂巖，砂巖基本頂巖層的破斷角一般取600，因基本頂上位巖層及直接頂也均為一砂巖，.為計(jì)算方便，取整個(gè)要垮落的巖層破斷角為60，依據(jù)工作面綜合柱狀圖可知，需控制的巖層為3. 7m厚的中砂巖、3. 8m厚的粗砂巖及其上部5. 65m的中砂巖，總計(jì)要控制的巖層厚度為14m，約3. 5倍采高。將 代入得：即支架所需支護(hù)強(qiáng)度為930kN/mz。顯然可以滿足實(shí)際工作面頂板所需的支護(hù)強(qiáng)度890kN/mz，由此可知沙曲礦24101工作面實(shí)際所選支架額定工作阻力偏低，這與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的工作面支架阻力偏低相對(duì)