厚煤層綜放開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架選型優(yōu)化

王俊青

(山西新村煤業(yè)有限公司,山西 長治 046000)

我國的厚煤層儲量占總儲量的45.6%,厚煤層原煤產(chǎn)量占到了全部產(chǎn)量的44.8%,厚及特厚煤層是主要的開采對象,其安全高效開采具有主要意義[1]。綜放開采技術(shù)是實現(xiàn)厚及特厚煤層高效集約化生產(chǎn)最有效的方法之一。某煤礦由于在開采過程中對厚煤層綜放開采條件下工作面礦壓顯現(xiàn)特征缺乏深入了解,工作面開采受頂板活動的影響突出[2]。同時,由于綜采生產(chǎn)技術(shù)管理水平和經(jīng)驗不足等原因,工作面支架-圍巖相互作用關(guān)系較差,存在煤壁片幫、端面冒頂?shù)鹊V壓顯現(xiàn)情況。

以某煤礦1109工作面厚煤層綜放開采為工程背景,采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合方法對厚煤層綜放開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、支架選型以及支架適應(yīng)性分析,以保障厚煤層安全高效開采。

1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

該礦主采的4號煤層結(jié)構(gòu)較簡單,煤厚6.5 m ～10.5 m,平均8.5m,煤層傾角0～10°,平均5°。煤層厚度變化較穩(wěn)定,煤層夾矸變化明顯,由東向西呈逐漸變薄的趨勢,夾矸一到三層,厚度0～1.5 m,以泥巖為主。主要的一層夾矸(4-1和4-2的分界層)位于煤層頂板向下3.3 m～5.0 m處,夾矸厚度由東向西變化為1.5 m～0 m。

1109工作面采用走向長壁綜合機械化放頂煤一次采全厚開采,考慮到距煤層頂板3.0 m～3.5 m存在一層較穩(wěn)定夾矸層,確定工作面機采高度3.0 m。

2 綜放工作面覆巖活動規(guī)律分析

結(jié)合1109工作面煤巖層地質(zhì)和開采技術(shù)條件,建立三維模型對覆巖活動及頂板應(yīng)力場、破壞場分布規(guī)律進行模擬分析。

2.1 數(shù)值模型及模擬參數(shù)

應(yīng)用有限元程序FLAC3D,以1109工作面地質(zhì)條件為背景,對工作面煤層開采后覆巖移動破壞情況進行數(shù)值模擬,建立數(shù)值計 算模型尺寸為300 m×200 m×132 m,工作面沿X軸方向推進,采用Mohr-coulomb本構(gòu)模型[3],模型兩側(cè)與前后限制水平方向移動,模型底部邊界限制垂直方向移動,模型上部加自重荷載8 MPa。數(shù)值模擬計算采用的煤和巖體的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 煤和巖體的力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of coal and

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

(1)圍巖破壞場分析

1-a 工作面回采60 m

1-b 工作面回采120 m圖1 隨工作面推進覆巖破壞情況Fig.1 Overlying rock damage with the advance of working face

對覆巖破壞的模擬結(jié)果分析:圖1-a,當(dāng)工作面推進至60 m時,煤層頂板中8.1 m厚中粒砂巖、1.5 m厚粉砂巖和0.5 m厚泥巖已完全破壞,塑性區(qū)已經(jīng)發(fā)展14.0 m厚的粉砂巖上部,工作面煤壁前后方的破壞區(qū)寬度為7.5 m,冒落帶高度為28.1 m。圖1-b,當(dāng)工作面推進至120 m時,在采空區(qū)自下而上,依次發(fā)育表現(xiàn)出拉伸破壞、剪切破壞和彈性變形區(qū)域分布,每一次基本頂周期性的破斷和垮落都會使得發(fā)生拉伸破壞的區(qū)域范圍逐漸變大,同時上部剪切破壞的區(qū)域也在不斷擴大,但是工作面的冒落帶高度維持在33.2 m。

(2)圍巖應(yīng)力場分析

對圖2為隨工作面推進覆巖應(yīng)力場變化情況分析:圖2-a,當(dāng)工作面回采60 m時,工作面回采擾動范圍進一步加大,工作面上方的低應(yīng)力區(qū)逐漸向上延伸,工作面煤壁高應(yīng)力區(qū)最大主應(yīng)力值達(dá)到18 MPa以上,煤壁前方低支承應(yīng)力區(qū)寬約7.5 m,在工作面前方9 m處出現(xiàn)峰值支承應(yīng)力,煤壁支承應(yīng)力達(dá)到工作面回采過程中的一個極值,可以認(rèn)為此時基本頂達(dá)到了極限強度,初次垮落。

2-a 工作面回采60 m

2-b 工作面回采120 m圖2 隨工作面推進覆巖應(yīng)力場變化情況Fig.2 Stress field variation of overlying rock with the advance of working face

圖2-b,當(dāng)工作面回采120 m時,開采擾動趨于穩(wěn)定,基本頂巖層形成較大范圍的應(yīng)力拱結(jié)構(gòu),采空區(qū)前方后方高支承壓力區(qū)距煤壁約20 m,工作面前后方煤壁高應(yīng)力區(qū)最大主應(yīng)力值區(qū)域穩(wěn)定不變。

3 綜放液壓支架選型

由覆巖活動規(guī)律的數(shù)值模擬研究,可知1109工作面老頂類別為Ⅱ來壓較明顯老頂,直接頂類別為2較中等穩(wěn)定頂板,支架類型選擇掩護式或支撐掩護式。因為支撐掩護式支架相對于掩護式支架對頂板的切頂能力強且通風(fēng)斷面大適合高瓦斯工作面,故1109工作面選用支撐掩護式支架較合理。

(1)支架最大高度

考慮到工作面頂板存在偽頂或者頂板局部冒落的可能,液壓支架的最大支護高度應(yīng)該在煤層最大采高的情況下增加0.2 m～0.3 m[4],即:

hmax=Hmax+(0.2～0.3) m.

式中:Hmax為開采煤層的最大高度,m。

(2)支架最小高度

支架最小高度由下式計算:

hmin=Hmin-S-g-e.

式中:hmin為開采煤層的最小高度,m;g為支架頂梁與底座浮矸厚度,取0.05 m;e為支架移架時支柱回縮量,一取0.03 m～0.05 m;S為支架后立柱最大下縮量,即:S=aRHmin;R為后立柱到煤壁的距離,m;a為考慮到頂板級別的系數(shù),對于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級頂板分別取值為0.04、0.025、0.015。

根據(jù)1109工作面4-1煤層厚度為2.8 m ～5.4 m,因此根據(jù)以上公式可得,工作面支架的最大高度應(yīng)為5.6 m ～5.7m,最小高度應(yīng)為2.45 m ～2.55 m。另外,根據(jù)1109工作面現(xiàn)場生產(chǎn)實際,工作面煤層距底板3.0 m左右有一層泥巖夾矸,為了保證采煤機順利割煤以及端面頂板的穩(wěn)定性,決定工作面煤層最大開采高度控制在3.0 m左右。所以,支架的最大采高應(yīng)≥3.0 m,最小采高應(yīng)滿足≤2.45 m ～2.55 m。

綜合以上,采用ZF6400/17/32型液壓支架支護頂板,全部垮落法管理頂板,支架間距為1.5 m。

4 工作面液壓支架工作阻力實測分析

為了分析工作面支架的承載特征及適應(yīng)性,沿工作面傾斜方向在上、中、下三個部位布置測區(qū),共6條測線,上部測區(qū)布置在93#、94#液壓支架所在位置,中部測區(qū)布置在49#、50#液壓支架所在位置,下部測區(qū)布置在6#、7#液壓支架位置,如圖3所示。采用YHY60(B)礦用本安型數(shù)字壓力計自動采集壓力,對工作面液壓支架工作阻力進行觀測[5]。

每條測線在液壓支架上“前立柱”和“后立柱”分別安裝1臺壓力計。該壓力計有兩個接入口,每個接口測一根立柱的壓力。這樣支架前排兩根立柱用一個壓力計觀測,后面的兩根立柱用一個壓力計,共安裝12臺。

圖3 工作面測線布置示意圖Fig.3 Measuring line layout of working face

對支架的工作阻力進行觀測,得到以下結(jié)果:

表2 實測液壓工作阻力值Table 2 Measured hydraulic working resistance

由表2可以看出:時間加權(quán)工作阻力平均值為3644.34kN/架,相當(dāng)于額定工作阻力定工作阻力(6400kN/架)的56.94%。其最大值為5963.80kN/架,相當(dāng)于額定工作阻力的93.18%。實測循環(huán)末工作阻力平均值為4716.69kN/架,循環(huán)末工作阻力實測值(平均值)與額定工作阻力(6400kN/架)比值為73.70%;頂板來壓時最大工作阻力6302.16kN/架,為額定工作阻力的98.46%。液壓支架在1109工作面應(yīng)用時,支架的工作阻力利用充分。

5 結(jié)束語

厚煤層采用綜放開采,隨工作面推進,頂板下部巖層發(fā)生拉破壞,頂板破壞高度不斷增大,冒落帶高度為28.1 m～33.2 m,工作面支架需控制頂煤、直接頂和部分基本頂載荷。

在工作面前方煤壁為應(yīng)力增高區(qū),出現(xiàn)應(yīng)力峰值,達(dá)到18 MPa,在超前支撐壓力作用下,工作面煤壁發(fā)生破壞,支撐能力下降,要求支架具有較強的承載能力和抵御失穩(wěn)沖擊破壞能力。

確定采用ZF6400/17/32型液壓支架支護頂板,發(fā)現(xiàn)實測工作阻力均小于支架額定工作阻力,認(rèn)為支架工作阻力具有良好適應(yīng)性。