滇东高原山区“三软”综采工作面矿压显现规律与控制技术研究.doc

1、滇东高原山区“三软”综采工作面矿压显现规律与控制技术研究报告目 录滇东高原山区“三软” 综 采工作面矿压显现规 律与控制技术研究工作报告1滇东高原山区“三软” 综 采工作面矿压显现规 律与控制技术研究技术报告3滇 东 高原山区 “三 软 ”综 采工作面 矿压显现规 律与控制技 术 研究 应 用 报 告 18滇 东 高原山区 “三 软 ”综 采工作面 矿压显现规 律与控制技 术 研究效益分析 21滇东山区“三软” 综采工作面矿压显现规律与控制技术研究报告 第 页 共 21 页1滇东高原山区“三软”综采工作面矿压显现规律与控制技术研究工 作 报 告吉克煤矿是淄矿集团在云南曲靖恩洪矿区控股建设的对现

2、代化矿井，设计生产能力为45 万 t/a。矿井于 2006 年 7 月开工建设， 2011 年元月 9 日建成移交生产管理。可采煤层为M7、M9、M11、M15、M16、M21、M21、M22 煤层，矿井采用长壁后退式综合机械化一次采全高的采煤方法。11101 工作面为吉克煤矿首采工作面，开采龙潭组 M11 煤层，煤层以条带状为主，也含均一状、线理状结构，裂隙局部发育，沉积稳定，厚度 1.422.10m，平均厚度为 1.76m。工作面内煤层结构复杂，在煤 层下部含一层 0.030.10m 厚的棕灰色中粗晶高岭石粘土岩（泥岩）夹矸。宏观煤岩类型以半亮型 为主， 夹半暗型煤，显微煤岩类型以微镜煤为

3、主。根据钻孔资料及工作面巷道揭露分析，11101 工作面范围内煤层沉积稳定，全部可采。煤层顶板裂隙发育， 节理多，为复合顶板。煤层直接顶为泥岩，老顶以细砂岩为主，直接底以泥岩和粉砂岩为主，老底以泥岩为主，煤 层顶底板岩性如表 1 所示。表 1 煤层顶底板岩性顶底板名 称 岩石名称抗压强度（MPa）平均厚度（m） 岩 性 特 征老 顶 细粒砂岩 8.7 3.29灰色，中层状粉砂岩，细砂岩及菱铁岩薄层、水平及缓波状 层理，含炭质层纹。直接顶 泥 岩 5.1 7.43黑色，薄-中成状粉砂岩夹泥质粉砂岩，菱铁岩薄层，板状及水平层理，含植物化石，底 0.20m 为 炭质泥岩。直接底 泥岩和粉 6.3 4

4、.55 灰色，中成状粉砂岩及细粉砂岩，滇东山区“三软” 综采工作面矿压显现规律与控制技术研究报告 第 页 共 21 页2砂岩 波状及水平层理夹薄层菱铁岩。老 底 泥 岩 5.6 3.77灰色，薄-中成状粉砂质泥中夹粉砂岩，水平层理、含植物碎片，碎屑化石，底部 0.15m 为炭质泥岩。在云南高原山区，煤矿采煤工艺和装备相对落后，多以炮采工艺为主。吉克煤 矿为山东淄博矿业集团控股企业，是云南省骨干矿井；地处滇东高原山区，属于侵蚀低中山地貌，地形切割强烈，海拔 21751792m，相 对高差 383m，地 势东、西两侧高，中部低，南高北低，主要山脉为北北东走向，山 间深谷与山脉基本平行。首采 111

5、01 工作面装备了ZY4000/13/26 型掩护式液压支架、MG2100/456-WD 型无链电牵引采煤机和 SGZ-764/630型刮板运输机，为了掌握滇 东高原山区“三软” 综采综采工作面矿压显现规律，保证工作面的正常生产，开展矿压观测 ，系 统分析 11101 工作面 顶板活动规律、来 压特征、工作面支架受力特点、支架对顶板的适 应性和控制效果，以及超前支承压力影响范围和分布特点是云南高原山区尚属首次，是十分必要的。这不仅能为 11101 首采工作面安全生产提供技术指导，同时还为吉克矿井乃至云南省其他综采工作面提供技术保障。滇东山区“三软” 综采工作面矿压显现规律与控制技术研究报告 第

6、 页 共 21 页3滇东高原山区“三软”综采工作面矿压显现规律与控制技术研究技 术 报 告1 工作面顶板运动规律随着工作面不断推进，采场矿山压力的大小和分布处于不断变化的过程中，采场支架上的受力是围岩运动的结果，其受力的性质、大小和发展变化的规律与上覆岩层运动更是不可分割。由于上覆各岩层 距采场高度不同，各自的岩性和厚度不同，其充分运 动的范围和对采场的影响也不同，为 了控制对采场有明显影响的岩层运动，必需从工作面纵向和推进方向两个方面研究采场上覆岩层的运动规律，首先研究工作面顶板须控范围。1.1 工作面顶板须控范围的确定11101 综采工作面顶板由直接顶和老顶两部分组成。由于 11101 工

7、作面无伪顶，所以该处的直接顶为位于煤层之上的一层泥岩，具有随支架放顶而垮落的特征，直接顶相当于冒落带内的岩层。老顶指位于直接顶之上、 节理裂隙不 发育，以微波状 层理为主，自然分层比较大，整体性较强的坚硬岩 层，煤 层采空后能悬露 较大的面积， 该顶主要由组合岩层组成。1.直接顶厚度（冒高）的确定直接顶冒高公式为：（KA 与 SA 相适应） （1-1）1S-hmAzK式中：mz直接顶厚度， m；h采高，1.422.1m；SA岩梁触矸处沉降值，由 实测而定；滇东山区“三软” 综采工作面矿压显现规律与控制技术研究报告 第 页 共 21 页4KA岩梁触矸处已冒落岩层的碎胀系数。把 h1.422.1m

8、，KA1.2 1.3（由于直接顶为泥岩，强度较低，因此岩石的碎胀系数较小）， SA=（0.350.4）h 代入式中，求得直接 顶（冒高）厚度：mz2.846.82m利用来压前夕支架承载值反推直接顶厚度，来压前夕老顶处于相对稳定运动阶段，支架上的受力可视为由直接顶的重量引起，两者建立平衡关系，则有：（1-2）zmzfP式中：P 来压前夕实测 支架承载值， kN/m2；fZ 悬顶系数，在老顶来压前夕一般取 1；Z 岩层容重，取 26kN/m3。实测各周期来压前夕支架阻力总平均值 324.3kN/m2，将该值代入上式得：12.47（m） z由支架老顶来压前夕反推直接顶厚度结果一般偏大，仅作为参考。因

9、此，根据公式 1-1我们可以得出直接顶 7.43m 的泥岩并非全部垮落，而是分层垮落。鉴于 11101 工作面7.43m 的直接顶岩性黑色，薄 -中成状粉砂岩夹泥质 粉砂岩，菱铁岩薄层，板状及水平层理，含植物化石，底 0.20m 为 炭质泥岩，且单轴矿压强度 6.3Mpa，强度极低。因此，预计 7.43m的泥岩整体全部切落，即直接顶的厚度为 7.43m。2.老顶厚度由 11101 工作面岩层情况可知，老顶的具体厚度可用老顶来压时实测支架阻力值反推工作面老顶的厚度。（1-3）EPKTELm （1-4）滇东山区“三软” 综采工作面矿压显现规律与控制技术研究报告 第 页 共 21 页5式中：P来压时

10、 支架阻力 实测平均值， 336.14kN/m2；P来压前支架阻力 实测 平均值， 276.52kN/m2；KT压 力作用系数，一般情况下 KT=1.5；LE岩梁来 压结 束后的 悬 跨度，近似 视为 岩梁周期来 压 步距 C=7m；LK 控 顶距，根据顶板情况取经验值为 4m。由上述公式得：（1-5）EKTEKTELPLPm)()(97.172645.).14.3( m由 11101 工作面岩层综合柱状图知，开采的 M11 煤层顶板 3.29m 的细粒砂岩，岩性灰色，中层 状粉砂岩，细砂岩及菱铁岩薄层、水平及 缓 波状层理，含炭质层纹，为该工作面的老顶。1.2 工作面顶板运动规律分析工作面顶

11、板运动规律主要从工作面支架载荷监测得到，包括直接顶初次垮落、老顶初次来压和老顶周期来压。一般我们按工作面监测循环计算支架的初撑力（P0）、循环末阻力（Pm）、时间加权平均阻力（Pt）和相 应的支护强 度。初撑力（Po）系指移架后的支架初始阻力，它的大小取决于泵站的工作压力，并受管路损失和操作等因素的影响，支架立柱总初撑力可由下式计算：Po= （1-6）2140ZoiiDQ式中：Qoi实测初撑时各立柱油缸内的压力，MPa；滇东山区“三软” 综采工作面矿压显现规律与控制技术研究报告 第 页 共 21 页6D立柱内径，cm；Z每架支架的立柱数。循环末阻力（Pm ）系指循环末支架移架前的工作阻力。在正

12、常情况下，循 环末阻力为循环内的最大工作阻力，它是反映矿压显现强弱、 评价支架额定工作阻力是否满足支护要求的重要指标，支架立柱循环 末总阻力由下式计算：Pm= （1-7）2140ZmiiDQ式中：Qmi实测循环末油缸内工作压力。由于支架阻力是随时间不断变化的，所以仅以循环末阻力还不足以反映支架的全面受力情况。例如，两个不同循环支架立柱的末阻力可能相近或相等，但在循 环内支架立柱的受力差别却可能很大。两个循 环支架的受力不能认为是等同的，而用时间加权平均工作阻力（Pt ）则可以反映出 这一差 别。时间加权平均阻力（pt）系指一个采煤循环内以时间为 加权计算的平均工作阻力，即pt=Pti/t。可以

13、根据阻力与 时间的关系曲线求算 pt。其值为曲线下所包围的面积除以受力的时间。 为简化计算，将曲线所包围的面积分割成数个曲边梯形， 这样，可按下式近似地求得 pt 值：pt= （1-8）0112n1nn/2pt/Pt/2pt（ +） （ ） （ +）式中：ti时间，min；Pi支架阻力（ D2Qi/4*10）,MPa。一般应尽量在曲线的拐点处取分点，分割点越多，计算值越准确。但一般 为简化计算，取 5 个左右分点即可，曲线变 化不大时，分点也可再少些。滇东山区“三软” 综采工作面矿压显现规律与控制技术研究报告 第 页 共 21 页7支护强度（q）系指支架对顶板的支护阻力与支护面积（F）的比值，

14、单位为 MPa。于支撑式支架，立柱与顶板垂直，q 值可用 P/F 求出。 对于掩 护式支架， 则需要再乘以支护效率。直接顶初次 垮落步距由于在安装矿压监测系统以前，工作面已经推进了近 30m，因此我们不能从支架的曲线图上判断直接顶的初次垮落步距。借助于岩层质量指数法和 11101 工作面煤岩层柱状图，我们利用下面经验公式来计算直接顶初次跨落步距 。()Lx（1-9）(3.7458.60.7)cosMuLx式中：分开运动岩层厚度；M煤层倾角。因此，直接顶的初次跨落步距为： mL 104cos43.702.6.83.745.)1( 当 ，波动值为 ；0m2当 ，波动值为 ；153m当 ，波动值为

15、；2L4当 ，波动值为 ；35当 ，波动值为 。5m6因此，11101 工作面直接顶初次跨落步距可取为： mL210)(由 11101 工作面煤层柱状图和工作面的生产记录，初步确定直接顶初次跨落步距在12m 左右。老顶初次来 压步距滇东山区“三软” 综采工作面矿压显现规律与控制技术研究报告 第 页 共 21 页8由于在系统安装之间，工作面已推采，老顶初次来压已过去。因此，我 们根据经验公式估算老顶初次来压步距 ：0C+13.7=1.8 1.76+13.7=15.9m （1-10）MC8.10老顶周期来 压步距实测 8 个支架循环末工作阻力（Pm）随推进步距的变化关系见图 1图 8 所示。其中图

16、 1、图 2 为工作面上部 1#、2#支架循环末阻力变化曲 线， 图 3图 6 为工作面中部循环末阻力，图 7、图 8 为工作面下部 7#、8#支架循环末阻力 变化曲线。由于在综采在线监测系统安装时，工作面已推进了近 30m，工作面老顶初次来压已经过去。因此，我们只能从观测推进 100 多米利用支架的循环末阻力得出老顶周期来压步距，然后从理论上推算直接顶初次跨落步距和老顶初次来压步距。051015202530354032 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84 88 92 96 100工 作 面 推 进 距 离 （ m）支架循环末阻力（MPa）图 1 1#

17、支架循环末工作阻力(Pm)随推进步距的变化关系滇东山区“三软” 综采工作面矿压显现规律与控制技术研究报告 第 页 共 21 页905101520253035404532 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84 88 92 96 100工 作 面 推 进 距 离 （ m）支架循环末阻力（MPa）图 2 2#支架循环末工作阻力(Pm)随推进步距的变化关系05101520253035404532 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84 88 92 96 100工 作 面 推 进 距 离 （ m）支架循环末阻力（MPa）图 3 3#支架循环末工作阻力(Pm)随推进步距的变化关系05101520253035404532 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84 88 92 96 100工 作 面 推 进 距 离 （ m）支架循环末阻力（MPa）图 4 4#支架循环末工作阻力(Pm)随推进步距的变化关系