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★ 科技与工程 ★

8.8 m超大采高综采工作面支架选型应用及顶板管理研究

冀宏波 李玉福

(国家能源集团神东煤炭集团上湾煤矿,内蒙古自治区鄂尔多斯市,017209)

摘 要 针对8.8 m超大采高综采工作面开采强度高、顶板活动剧烈、管理难度大的问题,基于上湾煤矿12402综采工作面的顶板管理技术,对工作面矿压规律进行预测、对工作面支架的选型以及现场顶板安全管理体系进行了阐述分析。结果表明,采用类比法预测工作面回采矿压参数和规律能够满足超大采高工作面应用所需;强制放顶、擦顶移架法、超前拉架法等常规工艺在8.8 m超大采高情况下仍然有效,施工中形成的顶板安全管理体系保障了超大采高工作面的安全高效生产。

关键词 8.8 m超大采高工作面 综采工作面 顶板管理 顶板安全 矿压规律预测

8.8 m超大采高综采技术在我国乃至全球都是首创,作为安全高效开采的前提,顶板管理技术的安全性、合理性、有效性是关键。为保障该技术的应用,国内很多科研人员、学者开展了相关研究。杨俊哲、刘前进[1]针对工作面矿压显现强烈的问题,基于支架压力预测监测,对上湾煤矿8.8 m超大采高工作面矿压显现规律进行了研究;刘国柱[2]对大采高液压支架的承载能力进行了研究;王海军、孙红发[3]对超大采高工作面液压支架的支护强度进行了研究;李飞、刘混举[4]对超大采高工作面液压支架的稳定性进行了分析,并提出了相关控制方案;郭文孝[5]对超大采高工作面运输巷超前支架组的应用进行了分析;翟春宝、吕英华[6]对超大采高工作面初次强制放顶技术进行了研究。但是,上述研究多为针对工作面顶板管理的单一要素进行研究分析,笔者通过对8.8 m超大采高工作面顶板管理技术的系统阐述分析,以期为后续超大采高综采技术推广应用及经验总结提供借鉴。

1 工程概况

12402综采工作面是上湾煤矿12号煤层四盘区第2个综采工作面,工作面沿倾向布置,走向长度300 m,推进长度5271.8 m,采高8.8 m,该综采面地面标高为1178~1314 m,煤层底板标高为1044.34~1067.40 m。工作面上覆盖层厚度为115~270 m;上覆松散层厚度为2~23 m,主要是土黄色中、细粒风积砂,松散未固结;上覆基岩厚度为104~240 m。工作面基本顶为灰白色粉砂岩,厚度为5.68~20.34 m,抗压强度约14.5~36.6 MPa,普氏系数约2.32;直接顶为细粒砂岩,厚度为2.1~8.07 m,抗压强度约13.3~15.2 MPa,普氏系数约1.35,坚固性较低。工作面沿煤层走向布置,由切眼、主运巷、回风巷、辅运巷、主撤通道、辅撤通道、主辅运巷间联巷等巷道组成。工作面采用倾斜长壁后退式一次采全高综合机械化采煤法开采,采用全部垮落法管理顶板。

2 工作面支护选型

2.1 支护高度与支架强度的分析

2.1.1 支架高度的核算

(1)支架最大高度:

Hmax=Mmax+S1

(1)

式中:Hmax——煤层最大支护高度,mm;

Mmax——综采工作面最大采高,取8600 mm;

S1——伪顶初次垮落的最大厚度,取200 mm。

将各取值代入式(1)得出,Hmax=8800 mm。

(2)支架最小高度:

Hmin=Mmin-S2-g-e

(2)

式中:Hmin——煤层最小支护高度,mm;

Mmin——工作面最小采高,取6500 mm;

S2——顶板下沉量,取200 mm;

g——顶梁上、底座下的浮矸厚度,取50 mm;

e——移架时支架回缩量,取100 mm。

将各取值代入式(2)得出:Hmin=6150 mm。

综上所述,所选的支架支护高度为4.0~8.8 m,满足最大、最小支护要求。

2.1.2 支架强度的核算

采用2个经验公式计算,取其计算值的最大值。

经验公式一:

P=9.81hrk

(3)

式中:P——工作面合理支护强度,kN/m2

h——采高,取8.6 m;

r——顶板岩石密度,取2.5 t/m3

k——工作面支架应该支护的上覆岩层厚度与采高之比,一般为4~8;开采煤层较厚、顶板条件不好、周期来压明显时,应选用高倍数,根据相邻综采面回采情况,此处选取7。

将各取值代入式(3)得出:P=1476.40 kN/m2=1.47 MPa。

经验公式二:

(4)

式中:P——支护强度,MPa;

M——开采厚度,取8.6 m;

d——顶板动载系数,取1.3;

a——煤层倾角,取3°;

B——附加阻力系数,取1.2;

K——板岩石碎胀系数,取1.25。

将各取值代入式(3)和式(4)分别得出P值为1.31 MPa和1.47 MPa。

根据经验公式计算,支护强度取2种计算方式的最大值为1.47 MPa,所以工作面液压支架的支护强度应不小于1.47 MPa。

2.2 支架的选型

2.2.1 工作面支架选型测算

根据以上计算分析,对工作面支架进行选型,综采面共布置128台支架,其中有5台端头支架(机头3台、机尾2台);6台过渡架(机头3台、机尾3台)。具体见表1。

1 综采工作面液压支架型号及其技术参数

类型型号技术参数最小支撑高度/mm最大支撑高度/mm液压调整高度/mm工作阻力/kN支护强度/MPa初撑力/kN综采工作面支架ZY26000/40/88D400088004800260001.71~1.8319782端头支架ZYT26000/30/55D300055002500260001.51~1.6019782大侧护过渡ZYG26000/40/88DA(ZYG26000/40/88DB)400088004800260001.54~1.6119782过渡支架ZY26000/40/88G400088004800260001.62~1.7319782

通过比较可知,所选用的液压支架、端头架、过渡支架支护强度均超过了1.47 MPa,符合要求支架能满足支护载荷、支护高度等各项要求,可以选用。

2.2.2 超前支护支架选型

(1)主运巷超前支架。主运巷为一次采动影响巷道,超前支架支护强度核算如式(3)经验公式。其中,采高取4.6 m,参数k取2,可得P=225.63 kN/m2=0.23 MPa。

选择ZYDC33700/29/55D型超前支架,核算支架支护强度为:P1=242.1 kN/m2=0.24 MPa>0.23 MPa

(2)回风巷超前支架。回风巷为二次采动巷道,根据上湾煤矿以往综采二次采动巷道特点,二次采动巷道矿压显现强烈,但二次采动巷道在靠近工作面20 m范围内超前压力和顶板下沉最大,在距工作面20 m之外超前压力有所减弱,所以超前20 m范围参数k取6,20 m范围外参数k取4,即超前支架支护强度需满足以下条件:

P1=9.81hrk=676.89 kN/m2=0.68 MPa;

P2=9.81hrk=451.26 kN/m2=0.45 MPa。

选择ZQL2×24500/25/47D(I型)和ZFDC81100/29/55D型(II型)超前支架,从工作面开始20 m范围内使用I型支架,20 m以外使用II型支架,支护总长度44.6 m,其中I型支护长度23.4 m(3组),II型支护长度21.2 m(2组)。

核算支护强度计算得支护强度为:

P1′=1163.34 kN/m2=1.16 MPa;

P2′=698.81 kN/m2=0.69 MPa。

满足回风巷超前支护要求。

2.3 矿压规律预测

以上湾煤矿已开采的12401综采工作面(采高8.8 m)同煤层且为大采高的一盘区12206综采工作面(采高7 m)矿压规律统计为参考,对12402综采工作面矿压规律进行类比分析[7]可得,工作面初采放顶需采用爆破强制放顶方式,初次来压步距应不超过45 m,周期来压步距为10~14 m,详见表2。

2 工作面参数统计及矿压规律预测

项目初采放顶方式设计采高/m顶底板条件直接顶厚度/m老顶厚度/m直接底厚度/m初次来压来压步距/m来压显现程度12206综采工作面爆破强制放顶6.81.515.670.9544.0来压强烈12401综采工作面爆破强制放顶8.62.10~8.075.68~20.340.96~1.2944.5来压强烈,梁端距大,动载系数1.40~1.7512402综采工作面爆破强制放顶8.62.10~8.075.68~20.340.96~1.2945.0来压强烈项目周期来压来压步距/m最大来压强度/MPa最大平均顶底板移近量/m来压显现程度正常平均顶底板移近量/m12206综采工作面14~1653.00.30来压明显0.1012401综采工作面11~13最大52.8 MPa,46.0~51.0 MPa较多,中上部片帮深度1.5 m0.07来压明显0.0312402综采工作面12~1453.00.10来压明显0.05

2.4 综采工作面支护安全管理

综采工作面所有支架的立柱、平衡油缸安全阀应完好,达到额定开启压力时能够自动开启。正常回采过程中,煤机司机严格控制煤机速度,支架工必须距离采煤机顶滚筒2~3架拉架,周期来压时,支架工必须紧跟采煤机拉架,滞后采煤机顶滚筒1~2架跟机拉架,拉完架后及时将初撑力恢复设定值。同时采用超前拉架的方法及时支护顶板,拉完超前架后,梁端距仍较大的,必须打出伸缩梁,在顶板离层的情况下,应采用带压、擦顶移架方式拉架。

3 顶板安全管理

12402综采工作面采出空间大且开采强度高,顶板活动剧烈。此外,由于直接顶厚度薄,采空区充填不充分,基本顶的破断形式与常规开采工作面不同,工作面非来压期间支架无明显增阻,但来压时工作面支架冲击载荷较大[8-9],工作面来压显著。

3.1 初采期间顶板管理

3.1.1 强制放顶

12402综采工作面开切眼高6 m、宽12 m,为保证安全,工作面初采割6刀煤(5 m)后,采用深孔预裂爆破进行强制放顶。强制放顶工作必须严格按照专项安全技术措施要求进行,确保安全。

3.1.2 初次来压的安全管理

初次来压期间煤壁受压,在采煤机滚筒附近煤壁易片帮,回收护帮板时有片帮煤大面积掉落现象,支架压力最大可达52 MPa。初次来压以前,采高必须控制在7 m,偏差不超过±0.2 m,严禁随意增大和降低采高,由于切眼沿底掘进,留设有近3 m厚的顶煤,初采后必须逐渐提底沿顶回采,推进到40 m时,保证工作面全部沿顶回采,工作面平缓。此外,必须合理组织生产,编制人员防护等专项安全技术措施,严格遵照执行。

3.2 周期来压顶板管理

根据12401综采工作面的周期来压情况,埋深超过160 m、采高达到8 m后,周期来压压力增大。工作面周期来压步距9~20 m,主要分布在距离工作面10~16 m处,平均14 m。由于正常回采期间工作面推进速度较快,来压频繁,几乎每1~2 d就有1次来压过程。周期来压持续长度为1.5~6.5 m,平均3.8 m。来压时工作面中部显现强烈,综采工作面片帮严重,所以必须加强周期来压时顶板管理,由专人负责检查初撑力,保证升至设定值以上。同时要加强组织,快速推进。在顶板离层的情况下,采用擦顶移架法作业;顶板比较破碎、有冒顶现象时,应采用超前拉架法作业[10]

3.3 末采段顶板管理

在距离末采主撤通道200 m时,技术人员要加强支架压力记录,及时总结分析矿压显现变化规律,以便指导贯通。进入末采段后,要及时进行调整,确保综采工作面两端头推进度相同,同时严格沿顶板回采,生产中各班严格控制安全出口,防止窜动。距主撤通道16.5 m进行挂网,挂网应结合矿压显现情况,在无压期间作业。此外,应制定末采贯通安全技术专项措施,并严格遵照执行。

3.4 巷道三角区顶板管理

工作面端头支架必须超前拉出、初撑力符合设定值。巷道采空区悬顶滞后切顶线超过6 m或悬顶面积大于10 m2时,必须采取相关技术措施防止悬顶面积扩大,主要措施为退锚索[11],如果现场条件不允许,则可采用垛沙袋墙等措施及时消除悬顶隐患。

3.5 矿压观察

为掌握工作面上覆岩层运动发展规律,岩层移动情况与支架的相互关系以及支架支撑压力的分布规律,提出合理的顶板管理措施,确定回采巷道的支护参数,确定煤壁前方巷道合理的维护范围及工作面端头支护的技术措施等,需要对工作面液压支架压力、巷道顶板离层仪等矿压监测设施进行有效管理,并统计、分析相关记录数据,以便为顶板的安全管理提供科学依据。

3.6 施工效果

12402综采工作面自2019年9月回采以来,目前已正常推进1800 m,回采煤量共640万t,未发生顶板事故,表明了现有顶板管理技术与措施的合理性和可靠性。

4 结论

(1)工作面液压支架、端头支架、过渡支架及2种巷道超前支架选型合理,经过现场回采验证,满足8.8 m超大采高综采工作面的顶板支护要求。

(2)采用类比法预测工作面回采矿压参数和规律,在现场应用中仍具有合理性和实际指导价值,能够满足顶板支护技术快速推广应用之需。

(3)现场施工中形成的顶板安全管理体系保障了超大采高工作面的安全高效生产,具有一定的现实指导意义。同时也验证了强制放顶、擦顶移架法、超前拉架法等常规工艺在8.8 m超大采高情况下仍然有效。

参考文献:

[1] 杨俊哲,刘前进.8.8 m超大采高工作面矿压显现规律实测及机理分析[J].煤炭科学技术,2020,48(1):69-74.

[2] 刘国柱.8.8 m超大采高液压支架承载能力研究[J].煤矿机械,2018, 39(11):58-60.

[3] 王海军,孙红发. 8.8 m超大采高液压支架支护强度研究[J].煤炭技术,2018,37(10):266-268.

[4] 李飞,刘混举.8.8 m大采高工作面液压支架稳定性分析及控制方案研究[J].山西煤炭,2018,38(5):34-37.

[5] 郭文孝.8.8 m综采工作面运输顺槽超前支架组的分析与应用[J].煤矿机械,2019,40(5):130-132.

[6] 翟春宝,吕英华.8.8 m超大采高综采工作面初次强制放顶技术[J].陕西煤炭,2020,39(1):99-103.

[7] 范文胜.超大采高工作面回采关键技术研究[J].煤炭工程,2018,50(7):1-4.

[8] 黄庆享,周金龙.浅埋煤层大采高工作面矿压规律及顶板结构研究[J].煤炭学报,2016,41(S2):279-286.

[9] 张立辉,李男男.8 m大采高综采工作面矿压显现规律研究[J].煤炭科学技术,2017,45(11):21-26.

[10] 李瑞群,陈苏社.浅埋深7 m大采高综采工作面顶板灾害防治技术研究[J].煤炭工程,2017,49(S2):9-13.

[11] 王海军.神东矿区8 m以上超大采高综采工作面技术探讨[J].煤炭技术,2017,33(10):169-171.

Research on support selection and roof management technology in 8.8 m ultra-high fully mechanized mining face

Ji Hongbo, Li Yufu

(Shangwan Coal Mine, China Energy Shendong Coal Group, Ordos, Inner Mongolia 017209, China)

Abstract Aiming at the high mining intensity and difficult roof management because of fierce roof behaviors in 8.8 m ultra-high fully mechanized mining face, the prediction of mine pressure rules in working face, the support selection for working face and field roof safety management were elaborated and analyzed based on roof management technology in 12402 fully mechanized mining face. The results showed that the prediction of mine pressure parameter and rules in mining face by analogy method could meet the application requirements of ultra-high working face; forced roof caving, roof-scraping support moving method, advanced support pulling method and other conventional processes were still effective under the condition of 8.8 m ultra-high mining height, the roof safety management system formed during construction guaranteed the safe and effective production of ultra-high working face and provided reference for popularization and application of ultra-high fully mechanized mining technology.

Key words 8.8 m ultra-high mining face, fully mechanized mining face, roof management, roof safety, prediction of mine pressure law

中图分类号 TD323 TD355

文献标识码 A

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引用格式:冀宏波,李玉福. 8.8 m超大采高综采工作面支架选型应用及顶板管理研究[J]. 中国煤炭,2020,46(7):92-96.

Ji Hongbo, Li Yufu. Research on support selection and roof management technology in 8.8 m ultra-high fully mechanized mining face[J]. China Coal,2020,46(7):92-96.

作者简介:冀宏波(1989-),男,内蒙古鄂尔多斯人,中级政工师,大学本科学历,主要从事煤矿综采安全生产管理相关研究工作。E-mail:645015164@qq.com。

(责任编辑 郭东芝)