7403N下段综采工作面矿压观测分析.docx
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7403N下段综采工作面矿压观测分析
7403N下段综采工作面矿压观测分析
南桐矿业公司南桐煤矿
通过7403N下段综采工作面矿压观测，掌握了该工作面煤层顶板初次来压和周期来压步距、工作面支架支护强度、围岩破坏活动过程煤壁中应力变化大小和应力影响范围。
为工作面现场管理提供完善、准确的资料，以直接指导生产实践和解决回采过程中遇到的实际困难。
一、观测目的
采煤工作面矿山压力观测就是定量研究开采过程中矿压显现规律。
为现场管理提供完善准确的资料，指导工程实践，解决施工生产问题，本次观测有以下二个方面的目的：
1、掌握采煤工作面顶板岩层运动规律；回采空间围岩与支架相互作用关系；采动引起的支承压力分布；寻求搞好工作面顶板管理的有效措施。
2、对正在使用的支架适应性进行考察。
即从顶板控制出发，对在既定条件下使用支架的架型、参数、特性和支护效果提出评定性意见。
二、工作面概况
（一）工作面煤层产状：
该工作面位于乌龟山背斜东翼北翼井田，上部为7403N上段于2007年3月回采完毕，南邻7403S下段于2010年6月回采完毕，其余的都尚未布置。
综采段平均走向长136m，目前已开采106m，剩余30m平均倾斜长187m。
煤层厚度1.4～4.2m、走向345°、倾向75°、倾角36～40°。
（二）地表对应位置
7403N下段工作地表对应位置老鹰岩与杨柳井一带，现开采至杨柳井一带，工作面风巷现在采场对应地表蒲河直线距离144.6m，蒲河地表地层为飞仙关六段（T1f6）页岩，工作面嘉陵江一段（T1j1）至四段（T1j4）灰岩。
工作面井下开采标高-296m～-411m，对应地表标高+300～+350m；面位于南桐煤矿北翼三采区，是公司首个大倾角中厚煤层综采工作面，最大采深761m。
（三）工作面支护情况：
工作面采用ZY4000/15/37Q大倾角掩护式液压支架支护（由大江厂设计山东矿机制造，初撑力31.5MPa、3096kN，工作阻力40.7MPa、4000kN，支架最低位置外形尺寸（长×宽×高）5945×1380×1500，支撑高度1500～3700）支架共有113架；工作面刮板输送机选为SGZ-730/400型（运输能力：
800t/h、链速：
1.1m/s），采煤机选型为MG250/630-AWD型采煤机（牵引速度：
0～5m/min），工作面上下端头采用单体支柱配铰接顶梁支护，上端头倾斜长约2m，下端头倾斜长约5.5m。
（四）开采进度：
年份
2015
合计
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
推进度
6
7
12
9
15
8．5
5．5
15
78
2015年1月1日至今，工作面推进度如下：
三、工作面矿压监测方案
（一）、目标和任务
7403N下段综采工作面采用倾斜长壁全部垮落采煤法，利用双滚筒采煤机割煤、工作面选为SGZ-730/400型刮板输送机运煤，用全部垮落法放顶。
为摸清7403N下段综采工作面矿压规律及所选液压支架的适应性，需分析工作面顶板的活动规律及矿压显现特征，同时对所选支架型号及其性能进行深入分析，评价支架对工作面顶板运动的适应性，为工作面顶板管理、支护强度的确定提供科学依据。
因此，有必要对7403N下段综采工作面回采期间的矿压信息、支架工作阻力、受力状态等数据进行采集并分析，同时进一步对支架的适应性和支护参数进行分析和优化，从而得到反映顶板活动规律和支架适应性分析的相关技术参数，实现以下目标和任务：
（1）在7403N下段综采工作面特定的生产技术和地质条件下，掌握工作面上覆岩层运动规律，划分采场顶板类别，分析支护参数和顶板管理措施的合理性。
（2）分析工作面支架适应性，通过对工作面回采期间进行矿压监测，分析监测数据并提出可行性建议，为判断工作面支架支护质量和改善支护效果提供科学依据。
（3）通过7403N下段综采工作面矿压观测，掌握了该工作面煤层顶板初次来压和周期来压步距、工作面支架支护强度、围岩破坏活动过程煤壁中应力变化大小和应力影响范围。
（二）、研究内容
（1）掌握采场直接顶、基本顶来压显现特点、步距和强度，对工作面顶板分类；
（2）观测直接顶悬顶和冒落特点，掌握顶板运动规律，确定需控岩层范围和参数；
（3）支架工作特性，工作阻力分布及支架适应性分析；
（4）工作面矿压规律对研制支护设备，合理安排工序，合理选择采煤参数，进行顶板控制设计的影响；
（5）评价ZY4000/15/37Q掩护式大倾角液压支架在7403N下段综采工作面的适应性，在总体研究支架结构、承受载荷、左右两柱受力偏差、工作阻力等指标的前提下，进一步分析其现场实际使用工况。
（三）、矿压监测设备选择
7403N下段综采工作面支架载荷监测设备采用尤洛卡矿业安全股份有限公司生产的KJ216A煤矿顶板动态监测系统。
该系统是用于煤矿综采支架工作阻力监测实时在线监测系统。
系统将计算机监测技术、数据通讯技术和传感器技术融为一体。
实现了复杂环境条件下采场矿压运动规律在线监测，对可能的顶板灾害进行预测预警。
（四）、监测设备的安装
7403N下段综采工作面走向长度124～150m，平均137m；工作面倾向长度183～191m，平均187m。
工作面安装113架，
在7403N下段综采工作面均布安装15台矿压监测设备，分别布置在工作面上部安装5台，工作面中部安装5台，工作面下部安装5台。
对综放支架初撑力、工作阻力进行连续监测。
每个监测分机上的三个压力监测通道为2个，分别安装在支架前、后柱，以监测它们的压力变化情况。
（五）、观测要求
为了分析工作面顶板运动参数，必须捕捉到采场顶板的初次来压和多次周期来压，掌握顶板来压的宏观规律，同时为支架适应性评价、合理工作阻力确定等提供理论分析的实测基础资料。
为了对支架的初撑力，末阻力进行观测。
每天要记录工作面的推进度以及主要的煤壁片帮、顶板冒落、支架倾斜、顶梁仰俯等宏观矿压显现。
分析整理数据，得出当天工作面推进各循环的的初撑力，平均工作阻力，末阻力。
为了充分掌握顶板的运动规律，从工作面开始试生产开始观测，直到到工作面经历多次周期来压至回采结束，对监测到的数据进行了系统分析，掌握顶板运动规律。
四、工作面矿压显现特征及顶板运动规律
（一）、工作面顶板需控岩层
工作面支架载荷是采煤造成的顶板运动的综合反映，它包涵着丰富的顶板运动规律信息，通过对支架载荷的分析可以推断需控制岩层的范围，支架工作阻力的周期性变化反映了顶板的周期性断裂和运动规律。
支架实际载荷和额定阻力的比较反映了支架对顶板运动的适应性。
综采工作面采场的需控岩层范围主要包括直接顶和基本顶及其上部岩层运动的作用影响范围。
（二）、工作面支架工作阻力的确定
1、计算支护强度
Pt=9.81HRK
=9.81×3.5×2.5×5
=429.186（KN/m2）
式中：
Pt：
工作面合理的支护强度（KN/m2）
H：
采高（3.5m）
R：
直接顶岩石视密度，一般可取2.5t/m3
K：
直接顶厚度和采高之比，一般取4～8。
（取5倍）
2、参考表4-1和ZY4000/15/37Q掩护式大倾角液压支架支术参数，选用ZY4000/15/37Q掩护式大倾角液压支架能满足顶板所需强度。
3、工作面安装和上下端头支护情况
根据现场实际条件。
工作面共安架113架，上、下端头选用DZ1800～2800-300/100型单体液压支柱配B-800型铰接顶梁支护沿走向托顶齐梁正悬臂支护，有效的支护工作面顶板。
从运输巷到轨道巷依次编号为1～113号支架。
表4-1预计工作面矿压参数参考表
序号
项目
单位
同煤层实测
本面选取或预计
1
顶底板条件
老顶厚度
m
7.2
9.0
直接顶厚度
m
1.1
0.5
直接底厚度
m
0.2～0.3
0.15
2
直接顶初次垮落步距
m
2～3
2～3
3
初次来压
来压步距
m
10～12
10～12
最大平均支护强度
KN/m2
595
600
最大平均顶底板移近量
mm
来压显现程度
明显
明显
4
周期来压
来压步距
m
6～10
6～10
最大平均支护强度
T/m2
17．21
17．21
最大平均顶底板移近量
mm
来压显现程度
明显
明显
5
平时
最大平均支护强度
T/m2
14．65
14．65
最大平均顶底板移近量
mm
60
60
6
直接顶悬顶情况
m
能随回柱冒落
能随回柱冒落
7
底板容许比压
MPa
27.9
27.9
8
直接顶类型
类
2
2
9
基本顶级别
级
一级
一级
10
巷道超前影响范围
m
20
20
11
最大控顶距
m
4．640
4．640
12
最小控顶距
m
4．040
4．040
13
放顶步距
m
0.6
0.6
（三）、工作面支架荷载监测分析
该工作面在开采过程中，由于受地质条件的影响，多次出现工作面片帮和冒顶，推进缓慢，从矿压在线监测形成到8月止，工作面共进78m左右，根据回采情况，选择4月、5月来分析该工作面周期来压的步距和强度，其中4月至5月底,工作面共推24m，现将其观测资料整理分析如下。
根据综采支架压力计算机监测系统所记录数据统计出在工作面4月～5月推进期间部分支架的压力变化曲线，如图4-1～4-7。
图4-11#测站压力变化曲线
图4-23#测站压力变化曲线
图4-35#测站压力变化曲线
图4-47#测站压力变化曲线
图4-59#测站压力变化曲线
图4-611#测站压力变化曲线
图4-713#测站压力变化曲线
4-2实测直接顶、基本顶运动参数
次数
序号
周期来压步距（m）
1
2
1#
9
13
3#
9
10
5#
10
8
7#
11
8
9#
10
12
11#
8
8
13#
12
9
平均
9.9
9.7
9.8
由图4-1至图4-7的支架平均压力随工作面推进距离的变化曲线，结合现场实际观测中宏观矿压显现，对1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#测站对应支架工作阻力变化曲线分析，。
根据表4-2统计分析计算表可知，工作面基本顶周期来压步距平均为9.8m，最大约为13m。
（2）基本顶来压强度
基本顶周期来压期间，支架压力较大，且支架压力呈现周期性增加和减小的变化，具体基本顶来压期间支架的压力数值如表4-3所示。
根据表4-3基本顶来压期间强度的统计分析，可知，基本顶来压期间工作面来压强度28～45MPa，平均为37.2MPa。
表4-3基本顶周期来压强度统计分析计算表
来压次数
基本顶来压强度/MPa
1
3
5
7
9
11
13
1次
42
35
46
32
36
45
32
2次
37
44
40
37
29
38
28
平均值
39.5
39.5
43
34.5
32.5
41.5
30
基本顶周期来压强度
37.2
五、顶板运动规律分析
通过分析支架每循环压力曲线变化特征来分析支架工作状态。
支架工作状态是采场上覆岩层的运动变化情况的直接反映，因此通过支架压力的变化能够准确判断出采场上覆岩层的运动变化情况。
由于岩层具有相对稳定运动过程和显著运动过程两个阶段。
在相对稳定运动过程中，岩梁的运动幅度小，对采场矿压的影响不明显，支架上的压力显现也就不明显。
而在岩梁显著运动过程中，岩梁的运动幅度较大，对采场矿压显现影响极为明显，相应的支架上的压力显现就明显。
岩梁经过一次相对稳定运动和显著运动的全过程后，就完成了一个运动周期。
随采场推进，基本顶岩梁来压时岩梁离层、下沉、断裂，采高大时出现翻转，采场的压力也随之呈现周期性的变化，在支架的压力显现上也会具有一定的周期规律性。
支架在支撑上覆岩梁的支护循环过程中有初撑和工作两个阶段。
初撑阶段，支架的初撑力比较小，随顶板的下沉支架阻力开始上升并达到工作阶段。
当顶板压力超过一定值后，支架阻力在额定工作阻力值附近上下波动。
（1）当顶板压力较小，支架达到初撑后，支护循环内没有达到工作阻力。
即支架一直在初撑阶段工作，直到下次移架。
在此过程中，顶板处于最稳定的状态，基本顶岩梁尚未达到极限垮落步距。
（2）支架初撑时间较长，初撑阶段压力曲线平缓上升，循环末阻力值低于支架的额定工作阻力值。
此时，基本顶处于相对稳定运动状态，有少量缓慢下沉，但未断裂回转。
岩梁处于来压前夕的相对稳定的运动状态。
（3）支架从初撑阶段极短时间内即达到额定工作阻力状态，并且在额定工作阻力值区域稳定震荡。
此时，顶板不稳定，基本顶岩梁处于显著运动阶段，即来压阶段。
（4）采空区内基本顶随着悬顶面积的增大，当达到极限悬顶状态时将出现急剧下沉和断裂，即顶板来压，随顶板断裂垮落来压结束而充分冒落。
这种状态周而复始，即为基本顶的周期性来压。
六、工作面支架工作状态分析
（一）、支护强度分析
在整个开采周期内，监测系统都对工作面循环工作阻力及支架荷载及其支护频度区间进行了实时在线监控，分析了工作面初撑力、末阻力、加权工作阻力及其合理均值的选择。
南桐煤矿综采监测日报表
工作面名称:
7403N下段综采工作面认证编号:
回采进尺范围：
292.0m-314.2m监测日期:
2015-04-0200:
00至05-3123:
59
监测数据统计表（单位MPa）：
工作面工作阻力统计
整面
上部
中部
下部
最大
最小
最大
最小
最大
最小
最大
最小
平均
平均
平均
平均
44.4
2.5
42.6
2.5
44.4
2.5
41.4
2.5
16.3
20.3
13.7
13.9
压力分机编号
对应支架编号
安装位置
工作阻力
初撑力
末阻力
第三通道不使用
最大
平均
最小
平均
最大
平均
最大
平均
1
111
上部
38
21.7
3.5
13.7
38
20.7
--
--
2
105
上部
35
20.8
2.5
16.1
35
21.3
--
--
3
99
上部
31.2
19.7
4.6
15.5
31.2
19
--
--
4
92
上部
34.7
18.5
3
15.4
34.7
18.7
--
--
5
85
上部
42.6
20.7
3.3
15.5
42.6
22.7
--
--
6
77
中部
24.8
12.3
2.5
11.8
23.6
14.3
--
--
7
70
中部
30.4
10.1
2.6
8.7
22.3
10.8
--
--
8
63
中部
44.4
17.8
4.1
14.1
44.1
18.1
--
--
9
56
中部
44.9
11.8
2.6
8.4
20.9
13.2
--
--
10
49
中部
26.3
15.9
3.3
12.7
24.8
16.1
--
--
11
40
下部
34.9
15.8
3
13.7
34.8
19
--
--
12
32
下部
34.6
13.9
2.8
12.9
34.6
15.1
--
--
13
25
下部
42.4
12.8
3.2
12.5
23.1
16
--
--
14
17
下部
41.4
15.3
3.3
13
41.3
18.5
--
--
15
8
下部
24.4
8.2
2.6
16.3
24
17.2
--
--
图6-1综采工作阻力数据监测报表
从2015年4月2日至5月31日综采监测报表数据中看出，整面支架工作阻力平均值为16.3MPa，但由于整面支架顶板接触不平整，造成绝大多数为单柱受力，因此选择单柱最大工作阻力为该工作面平均工作阴力，其平均工作阴力为30.3MPa，最大工作阻力44.4MPa。
表6-1支护工作阻力及合理支护强度
压力分站编号
工作阻力P/MPa
来压判据/P+σ
合理支护强度/P+2σ
1
38
44
51
3
31
36
41
5
42
50
58
7
22
26
40
9
20
25
29
11
35
41
48
13
24
29
32
平均值
30.3
35.7
41.3
根据KJ216监测系统的数据，经过计算可知，7403N下段综放工作面平均工作阻力30.3MPa，来压时的强度为35.7MPa，合理的支护强度为41.3MPa。
（二）、支架前后柱分析
通过实测数据在线观测可知，支架前后柱在整个矿压观测期间前柱和后柱载荷受力不平衡，局部还出现单柱受力。
前后柱工作阻力在各阻力区间分布也不平衡，说明支架受力情况较差，也出现过比较严重的前探或后仰和死柱现象。
但总体来看，支架前后柱承载情况良好，对本工作面具有比较好的适应性。
（三）、支架顶梁的适应性
支架顶梁是支架的重要组成部分，支架对顶煤和直接顶的支撑作用主要是通过顶梁来实现的，顶梁的适应性对工作面的支护有着很大的影响，因此顶梁的适应性以及对顶板的支撑作用是一个极为重要的问题。
在整个观测期间，综放支架整体顶梁切顶良好，对工作面顶板适应，没有出现支架大面积压死现象，也没有漏矸现象。
（四）、顶梁侧护板封顶情况
7403工作面是综放工作面，与支架上方直接接触的是比较破碎的岩休，因此，顶梁侧护板封顶情况是否良好，对工人的人身安全具有十分重要的意义。
在观测期间，侧护板封顶情况良好，没有煤块及矸石窜入工作面，为回采工作提供了安全的环境。
七、结论
通过分析7403N下段工作面顶板岩石组成和支架受力数据分析，得到以下结论：
（1）根据KJ216监测系统的数据，经过计算可知，7403N下段工作面周期来压步距平均为9.8m，周期来压强度平均为37.2MPa。
（2）7403N下段工作面平均工作阻力30.3MPa，来压时的强度为35.73MPa，合理的支护强度应该为41.3MPa。
（3）通过统计分析，支架整体顶梁切顶良好，对工作面顶板比较适应。
侧护板封顶情况良好，没有矸石窜入工作面，为回采工作提供了安全的环境。
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