大采高综采工作面矿压显现规律研究

2022-09-14

大采高综采是指对3.5m~5.0m厚的煤层一次采全高的综采技术, 我国从1978年起开始试验厚煤层大采高一次采全厚开采方法至今已得到了长足进步。在神东、邢台、开滦、铁法、淮南、徐州、枣庄等矿区推广使用的效果较好。大采高综采是相应条件下厚煤层综采的主要发展方向之一。

1 综采工作面系统的组成

综合机械化采煤工作面完整的成套设备由以下几个系统组成:

(1) 工作面内的采、支、运系统——有采煤机械、液压支架、刮板输送机和端头支护设备 (简称“三机”) ; (2) 运输平巷内的运煤系统——有转载机、破碎机、可伸缩胶带输送机; (3) 液压系统——有乳化液泵、乳化液溶箱及其进、回液主管路; (4) 控制指挥系统——有控制台、声光信号、扩音电话及其线路; (5) 供水系统——有冷却水、喷雾泵、水箱及其进出、水管路; (6) 供电系统——有高压供电线路及其连接器和开关、移动变电站、低 (中) 压配电开关群及其分支供电线路。这六个系统的设备是搞好综合机械化采煤必不可少的装备, 必要时还应配设; (7照明系统——有工作面及平巷的照明灯具及其线路; (8) 辅助设备——有液压安全绞车、调度绞车、电钻、排 (污) 水泵等; (9) 辅助运输设备——有卡轨车或单轨吊及其附属设备。

2 大采高综采技术发展趋势

采煤机的选型上以宁大勿小为原则。近年来, 采煤机的截割速度一直在增加, 目前采煤机的截割速度一般在 (12~15) m/min, 一些新研究开发出来的采煤机的截割速度达到了 (24~36) m/min;截割功率、牵引功率更高更大, 总装机功率将超过2400k W。工作面液压支架工作阻力更高、单架支护面积更大, 设1汗段更先进, 设计使用寿命要大于6000个循环。为满足采煤机截割深度大于1000mm的要求, 增加支架顶梁的长度, 以维护工作面顶板, 防治冒顶;液压支架的宽度有1.5m和1.75m两种, 从目前看还有加大的余地, 支架中心间距可达到2000mm, 可以增加大采高支架的稳定性, 以满足增加支撑力的要求。随着采高、工作面长度及生产能力的不断增长, 工作面输送机链的直径也不断增大。刮板输送机的输送长度达到300m, 小时运输量可达到5000t, 输送机溜槽宽度、链条直径、总装机功率等都要增加, 链条直径达到48mm以上, 总装机功率达到3200k W供电电压可达到4160V。

3 大采高综采工作面矿压显现规律研究现状

大采高综采工作面采场顶板岩层的运动规律和采场压力显现规律有其特殊性。工作面采高大, 不仅使工作面顶板活动空间与老顶悬臂梁结构的弯距加大, 使工作面压力加大, 而且因工作面上覆岩层冒落高度及裂隙带高度的加大, 使采场采动影响波及的范围增大, 易发生“煤壁片帮——顶板冒落——煤壁片帮”的恶性循环。顶板冒落使支架失去上部约束而产生倾倒, 支架倾倒后受力状态恶化和承载能力下降又使工作面顶板出现进一步冒漏。国内外采矿工作者十分重视大采高带来的顶板岩层运动规律和采场压力显现规律的研究, 由于煤矿地质条件的多样性和复杂性, 我国大采高综采面液压支架稳定性等类的事故率平均高达6%~20%以上, 远比采高小于3.5m的综采面严重。大采高综采面矿压规律特殊性问题己成为生产实践中迫切需要研究解决的采矿问题。国外由于受客观条件的限制, 适合大采高综采的厚煤层不多, 而厚煤层赋存较多的美国、澳大利亚等大多采用房柱式采煤法, 就目前而言, 我国在大采高综采工作面与巷道围岩控制技术方面进行了一定的探索, 但由于大采高综采实践时间短, 各研究单位所观测到的矿压数据和研究结果, 大多只适用于局部相似条件的范围, 而对其它类似条的地区仅有一定的参考价值, 因此, 进行大采高综采工作面矿压显现特征及控制研究, 掌握顶板活动规律及压力显现规律具有现实指导意义。

4 大采高采场顶板岩层运动规律研究

采场中一切矿压显现的根源是采动引起的上覆岩层的运动。因此, 研究大采高采场顶板岩层的运动规律有助于深入了解大采高矿压显现特征。

基于“砌体梁”理论的顶板岩层运动规律以钱鸣高院士所提出的“砌体梁”理论为基础研究了大采高采场上覆岩层的结构形态和活动规律以及顶板下沉量的影响因素。其主要结论如下: (1) 大采高综采直接顶运动一般是自下而上逐层垮落直至充满采空区。直接顶的厚度一般为采高的2.0~2.5倍。 (2) 由于煤壁支承的作用, 岩块剧烈回转滞后于工作面煤壁, 岩块完成回转的时间为该岩块断裂后到其下的直接顶全部垮落为止。在此期间该岩块回转的多少主要与直接顶的岩性、工作面煤壁的稳定性及支架的支护阻力有关。

基于“关键层”理论的顶板岩层运动规律:太原理工大学靳钟铭教授等学者, 运用关键层理论研究了大采高采场覆岩结构特征及运动规律, 结果表明:覆岩的垮落断裂受关键层的特征、层位及分布控制, 在不同采高时“三带”范围的确定应根据关键层的特征确定。当一次性开采高度小于3m时, 垮落带高度符合经验公式的近似分式函数关系, 当一次性开采高度大于3m时, 垮落带高度大于相同煤厚分层开采时的垮落带高度, 其高度受关键层特征控制。

5 大采高综采工作面矿压显现规律研究

目前矿压显现规律的研究方法多采用矿压数据实测分析、相似模拟研究及数值模拟研究。中国矿业大学郝海金结合寺河矿10201S大采高综采面现场观测和平面、立体相似模拟, 研究得出大采高综采面前方支承压力影响范围及峰值点位置:支承压力峰值随着采高的加大逐渐向工作面煤壁前移:不同采高、工作面不同位置周期来压变化规律:大采高支架工作阻力远远大于分层开采和放顶煤工作面支架的工作阻力值。大采高综采面矿压显现规律:工作面顶板有明显的初次来压和周期来压现象, 工作面顶板属于有明显来压顶板;工作面平时煤壁片帮发生较少, 周期来压时有片帮发生, 工作面停产时煤壁片帮加剧;非来压期间支架多为初撑或一次增阻, 来压期间多为二次增阻或多次增阻;工作面支承压力的影响范围是随工作面开采面积增大而增大的。

研究结果表明大采高综采老顶来压较普通综采更为剧烈, 局部冒顶和煤壁片帮现象更为严重, 支架冲击载荷更为突出, 支承压力影响范围更为广, 工作面周期来压明显, 来压强度增加。

摘要：大采高综采是相应条件下厚煤层综采的主要发展方向之一。本文基于笔者多年在综采方面的工作经验, 以大采综高采矿压显现规律为研究对象, 结合笔者在工作之余阅读的大量相关文献, 全面分析了国内在这一领域的相关研究进展, 相信对从事相关工作的同行能提供有力的理论支撑。

关键词：大采高综采,工作面,矿压,岩层运动