小保當二號煤礦超長綜采工作面初次來壓規律分析

張羅迅,王鵬飛,張永安

(陜西小保當礦業有限公司,陜西 榆林 719000)

0 引言

中國煤礦由本世紀初的機械化發展到自動化,再到現階段進入智能化,綜采工作面開采能力也得到大幅度提升。在智能化的正向促進下,諸多煤礦開始嘗試通過增加工作面開采長度,采用超長綜采工作面提高開采效率,但在工作面長度增加后導致工作面的礦壓顯現規律更為復雜,其中工作面在初采階段更是事故頻發[1]。因此,對工作面初次來壓進行深入分析,挖掘初次來壓規律,準確判斷來壓位置和來壓強度,將對超長工作面后續開采具有重要的指導意義。長期以來,大量學者對超長工作面開采過程中礦壓顯現規律進行了深入研究,王慶雄、趙曦等[2-3]通過大量數據分析得出頂板運動以及來壓規律。王保強、金寶圣、王兆會等[4-6]通過數值模擬等方法研究確定頂板來壓峰值及來壓步距。小保當二號煤礦在借鑒國內外超長綜采工作面開采經驗的基礎上,嘗試布置450.5 m的超長綜采工作面開采,并對工作面上的液壓支架進行在線應力監測,通過液壓支架工作阻力的變化規律進而分析工作面初次來壓規律,分析結果將指導接續工作面液壓支架的合理布置以及工作阻力設計,有助于后續超長工作面的安全生產。

1 工程背景

小保當二號煤礦132202智能超長綜采工作面為2-2煤13盤區第二個綜采工作面。工作面長度450.5 m,推進長度4 002 m,工作面采高平均2.55 m,屬于超長工作面。工作面煤層頂底板情況見表1。工作面直接頂為厚度2.09～3.59 m的粉砂巖,老頂為厚度13.63～22.01 m的細粒砂巖,直接底為平均厚度2.15 m的粉砂巖,老底為平均厚度2.94 m的細粒砂巖。煤層傾角平均2°,煤厚1.7～3.6 m,平均煤厚2.55 m。工作面基本液壓支架型號為ZY16000/18/32D,支架工作阻力16 000 kN(44.2 MPa),共布置210臺,過渡架型號為ZYG16000/22/40D,共布置6臺;端頭架型號為ZYT16000/22/40D,共布置8臺;兩巷超前段各布置1套超前支架。為了研究超長工作面初次來壓顯現規律,每臺支架均安裝在線應力監測設備[7]。

表1 煤層頂底板情況

2 工作面初次來壓分析

2.1 工作面初次來壓前礦壓顯現情況

在工作面推進至70 m時,工作面局部開始出現壓力顯現,但未出現大范圍強烈來壓,判斷為工作面初次來壓之前的一次小規模壓力顯現[8-10],具體工作面不同位置處的礦壓顯現情況為:工作面機頭側45#～70#支架開始有局部的壓力顯現,其中45#支架最大支架壓力達到42.7 MPa。工作面中部95#～105#支架開始出現局部小幅度的壓力顯現,95#支架壓力短暫達到42 MPa。工作面機尾側120#～160#支架開始有局部的壓力顯現,其中140#支架最大支架壓力達到43.35 MPa。圖1分別為45#～70#、120#～160#支架壓力曲線,工作面初次來壓前的支架壓力云圖如圖2所示。

圖1 工作面初次來壓前各支架工作阻力曲線Fig.1 Working resistance curve of each support before initial weighting of working face

統計工作面在推進至77 m(9月3日)發生初次來壓以前各支架平均工作阻力和最大工作阻力見表2和如圖3所示。工作面支架平均工作阻力分布在23.8～29.1 MPa,平均為27 MPa;最大工作阻力分布在31.6～44.25 MPa,平均為37.8 MPa。

圖3 工作面初次來壓前支架工作阻力最大值和平均值分布Fig.3 Maximum working resistance and average value distribution of supports before initial weighting of working face

表2 工作面初次來壓前支架工作阻力統計

2.2 工作面初次來壓時礦壓顯現情況

2.2.1 初次來壓過程

當工作面機頭推進至79.6 m,機尾推進至74 m時,工作面機尾側155～185#支架以及205#支架開始出現壓力升高,表明工作面機尾側率先出現初次來壓。7 h后,機頭35#～51#支架和中部65#～115#支架開始來壓。5 h后,整個工作面開始全面來壓,來壓范圍為35#～208#支架,其中65#～84#、90#～115#、141#～180#支架區域受來壓影響顯著,支架壓力有明顯升高,支架最大壓力普遍超過40 MPa,最大達到44 MPa以上。120#～140#支架出現滯后來壓現象,支架壓力在24 h后達到最高,工作面初次來壓期間支架壓力云圖如圖4所示。根據工作面支架工作阻力曲線分析可知,工作面初次來壓過程中支架未出現急劇增阻和大范圍安全閥開啟現象,表明工作面支架對老頂初次斷裂形成的動載沖擊具有良好的控制能力[11-12]。

圖4 工作面初次來壓期間支架壓力云圖Fig.4 Pressure cloud of supports during initial weighting of working face

工作面初次來壓期間不同區域支架工作阻力曲線如圖5所示。9月3日20∶30左右,機頭側35#～115#支架范圍初次來壓基本結束;9月4日8點左右,120#～205#支架來壓基本結束。工作面機尾側來壓持續時間整體大于機頭側,表明132202工作面機尾側受臨近132201工作面一側采空影響,頂板活動更加強烈。

圖5 工作面初次來壓期間各支架工作阻力曲線Fig.5 Working resistance curve of each support during initial weighting of working face

2.2.2 初次來壓步距統計

從表3可以看出,結合工作面推進度,對工作面不同區域初次來壓情況進行了統計,工作面機頭側初次來壓步距約為79.6 m,工作面中部初次來壓步距分布在75.6～82.6 m,平均為78 m,機尾側初次來壓步距約為74.7 m,整工作面初次來壓步距平均為77.1 m;初次來壓總持續時間約為29 h,其中整個工作面強烈來壓發生在9月3日15∶00～22∶00,持續時間約為7.0 h;工作面初次來壓影響刀數為2～5刀煤,平均為3.2刀煤。

表3 工作面不同區域初次來壓情況統計

2.2.3 初次來壓強度統計

表4和圖6對132202工作面初次來壓期間不同區域各支架的來壓強度進行了統計。工作面機頭側、中部以及機尾側在初次來壓期間的支架平均壓力分別為30.7 MPa、31.8 MPa和31.9 MPa,最大壓力分別為38.8 MPa、42.0 MPa和41.5 MPa;初次來壓動載系數分別為1.44、1.56和1.59,工作面初次來壓平均動載系數為1.54;工作面機尾側來壓強度整體高于機頭側。

工作面初次來壓期間65#、70#、80#、90#、110#、175#支架區域發生安全閥開啟,工作面支架安全閥開啟比例為16.7%,在合理范圍內。

3 結論

(1)在超長工作面來壓前,132202工作面局部開始出現壓力顯現,為初次來壓之前的一次小規模壓力顯現。工作面初次來壓前,支架平均工作阻力分布在23.8～29.1 MPa,平均為27 MPa;最大工作阻力分布在31.6～44.25 MPa,平均為37.8 MPa。

(2)超長工作面開始初次來壓期間,超長工作面來壓具有分區來壓的特點,機尾側率先來壓,之后工作面機頭側和中部陸續來壓,120#～140#支架出現滯后來壓。初次來壓總持續時間約為29 h,其中整個工作面強烈來壓持續時間約為7.0 h。

(3)工作面機頭側初次來壓步距約為79.6 m,工作面中部初次來壓步距分布在75.6～82.6 m,平均為78 m,機尾側初次來壓步距約為74.7 m,整個工作面初次來壓步距平均為77.1 m;工作面機頭側、中部以及機尾側在初次來壓期間的來壓強度平均分別為38.8 MPa、42.0 MPa和41.5 MPa;初次來壓動載系數分別為1.44、1.56和1.59,平均為1.54;工作面支架安全閥開啟比例為16.7%;工作面機尾側來壓強度整體高于機頭側。