大采高綜采煤壁穩(wěn)定性研究

胡廣宇

(山西晉煤集團寺河礦,山西晉城 048000)

0 前言

我國煤炭儲量豐富,厚煤層占全國煤炭儲量的40%以上。厚煤層開采技術隨著科技的不斷進步而得到了大幅提升,大采高綜采具有資源回收率高、煤塵少、瓦斯涌出量小等優(yōu)點。厚煤層大采高綜采的安全高效技術理論和成套裝備的研究是我國煤炭工業(yè)發(fā)展的方向,為提升煤炭行業(yè)自主創(chuàng)新能力和核心競爭力奠定堅實基礎[1]。

大采高工作面回采過程中煤壁的穩(wěn)定性受煤體內原生節(jié)理裂隙及其擴展演化效應的很大影響[2]。此外,煤壁的穩(wěn)定性還受到采動應力、頂板活動以及支架的控制作用等多種因素的影響,而煤壁的穩(wěn)定性又會影響到工作面端面頂板及支架的穩(wěn)定性等。因此對大采高煤壁穩(wěn)定性的研究是具有十分重要的現實意義。

1 寺河礦工況

寺河礦東井區(qū)東六盤區(qū)6301大采高綜采工作面,處于+338水平,如圖1所示。開采3#煤層,工作面采高6.2 m,一次采全高。工作面在推進度0 m～252 m 之間,工作面存在沖刷變薄帶,區(qū)域內煤層厚度0 m～4 m。煤層為近水平煤層,煤層傾角3°～9°,平均6°。工作面由西向東推進呈上山趨勢回采工作面開采3#煤層以亮煤為主,含有夾矸,屬穩(wěn)定型煤層。煤的容重1.46 t/m3,煤層普氏硬度系數f=1～2。

圖1 寺河礦綜采工作面

根據巷道掘進、鉆探及物探資料綜合分析,該工作面存在坑透異常區(qū)、鉆孔異常區(qū)和地質異常區(qū)。工作面進入異常區(qū)及附近回采將可能出現煤厚變薄及煤體松軟、破碎、片幫、冒頂、局部或全斷面割矸、瓦斯異常等現象。

工作面綜采設備采用德國艾柯夫公司生產的雙滾筒電牽引式SL500型采煤機,總裝機功率1 875 kW,該采煤機裝機功率大,可實現大采高工作面雙向截割,生產能力大,遠距離遙控操作,運行平穩(wěn),能夠實現閉鎖工作面刮板機功能。

支架選用金鼎煤機公司生產的二柱掩護式支架及其相配套的端頭、過渡支架。該支架支護高度大,支撐能力強,采用EEP 液壓支架電液控制系統(tǒng)可實現雙向鄰架、成組閉鎖、啟動順序控制,另外也可實現手動控制。工作面支架布置：ZT12000/25/55 型端頭架3 架(機頭段),ZT12000/28/62 型端頭架4 架(機尾段),ZG12000/28/62 型 過 渡 架4 架,ZY12000/28/62 型中 間架162架,共計173架。

2 煤壁穩(wěn)定性理論分析

在采掘前,煤壁處在原巖應力狀態(tài),煤壁內的應力也處于一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)；在采掘后,煤壁中原有的應力平衡受到采掘擾動的破壞,位于工作面前方的煤壁會產生應力集中,此時,弱結構面在應力作用于節(jié)理裂隙而形成,在送個過程中并形成新的節(jié)理裂隙[3]。當周期來壓來臨時,在節(jié)理裂隙貫通的地方的煤壁容易發(fā)生破壞。當頂板的壓力達到一定程度是便會產生煤壁片幫會現象。

寺河礦工作面為6.2 m大采高工作面,其工作面前方煤壁受到壓力而加劇煤體內部結構的破壞,隨著工作面向前推進,大采高工作面由于開采空間大,覆巖離層產生自由空間大,護幫難度更大,從而導致煤壁片幫深度加劇。

根據Brady 節(jié)理煤體力學模型[4],由損傷力學的原理可知,含貫通節(jié)理裂隙的煤體可認為損傷體,引入損傷變量D,則節(jié)理煤體的彈性模量Ee為：

在受壓條件下,含貫通節(jié)理裂隙煤體的軸向剛度k為：

式中：k為含單貫通節(jié)理裂隙煤體的等效彈性剛度,Bb、W、H分別為煤體模型的長、寬、高,E為為完整煤巖塊的彈性模量。

工作面前方極限平衡區(qū)內的至煤壁距離為x處的支承壓力σy為：

式中：N0為煤壁的支撐力,f為層面間的摩擦因數,φ為煤體的內摩擦角,M為工作面采高。

圖2 煤壁支撐能力和采高關系圖

通過對該力學模型分析可知：在大采高工作面條件下,采高對工作面前方極限平衡區(qū)內的支承壓力分布影響較大[5]。超前支承壓力峰值點至工作面的距離隨采高的增加而逐漸增大,即極限平衡區(qū)的尺寸隨采高的增大而增大；在極限平衡區(qū)內,采高越小超前支承壓力越大。

大采高綜采工作面煤壁片幫的深度B可由式(4)得到：

式中：l為斷裂線至煤壁的距離,θ為煤壁基本頂的回轉角。

由式(4)可知大采高工作面煤壁片幫深度B隨基本頂回轉角度θ的增大而逐漸增大。因為基本回轉角的增大使得直接頂的下沉量增加,直接頂對工作面前方煤體的作用加劇,進而增加了煤壁的片幫深度。

3 寺河礦煤壁穩(wěn)定性控制及預防措施

寺河礦工作面存在坑透異常區(qū)、鉆孔異常區(qū)和地質異常區(qū),1#坑透異常區(qū)：影響范圍為推進度0 m～145 m 之間?？油革@示場強衰減值為-5～-20.該坑透異常為向斜軸部、正斷層F6301-1(傾向330°,傾角約70°,落差0 m～2 m)和6301-1 沖刷變薄帶共同影響區(qū)域。千米孔異常區(qū)為6301-1沖刷變薄帶影響區(qū)域,受影響區(qū)域由13巷側起逐漸向東北11巷側延伸,沖刷帶內煤厚平均為5 m厚,最薄處煤厚為4 m。為了使工作面能順利通過這些異常區(qū),提高煤壁的穩(wěn)定性,使工作面不發(fā)生片幫冒頂,可采取一定的控制技術：

(1)提高工作面推進速度

當工作面推進速度較慢時,煤壁的應力狀態(tài)改變,穩(wěn)定性降低,提高工作面開采速度,可減少超前支撐壓力對煤壁的影響,從而降低片幫的風險。同時采用綜合機械化采煤工藝可降低煤層頂板破壞從而而保證煤壁的穩(wěn)定性[6]。

(2)加強護幫裝置的管理

根據工作面情況加強頂幫支護管理,采用追機帶壓移架(拉架滯后機組上滾筒兩個架)降低頂板破碎風險,移架要做到少降、快拉、快升,支架必須升緊,保證初撐力達標?？赏ㄟ^提高水平推力及延長頂板及煤壁支護時間等方式最大程度的發(fā)揮護幫裝置的作用。

(3)做好地質構造異常區(qū)的采高控制

綜采一次采全高時,煤層厚度越大,越容易發(fā)生片幫冒頂事故。因此,當工作面頂底板條件不好或片幫嚴重時,要嚴格控制工作面每刀煤的工程質量,尤其是頂底板的坡度、平整度、溜子及支架直線度,嚴防支架傾倒,嚴防咬架。同時采取留頂煤沿底板推進,及時跟機移架護頂和推移刮板輸送機?？刂撇筛吆蜏p小采煤機截深可有效防治片幫冒頂,從而提高煤壁穩(wěn)定性。

通過對煤壁穩(wěn)定性機理分析研究,寺河礦針對工作面的復雜構造,采取了一系列的措施確保工作面的順利通過。具體措施如下：

(1)工作面過斷面時的措施。過斷層前5 m～10 m,適當調整工作面?zhèn)涡倍葦?逐步調整機尾超前,機頭相對落后),改變工作面方向,增大斷層與工作面斜交度數,減少異常區(qū)域對工作面影響。從煤壁線往外50 m 采用5 m 板梁或π 型鋼梁進行架棚維護,20 m 范圍內為一梁四柱,20 m～50 m 為一梁兩柱。同時在原有支護的基礎上另增加1～2排單體柱進行加強支護或延長超前支護距離,并保證800 mm安全出口。

(2)工作面過地質構造異常區(qū)時的措施。根據頂板情況逐步控制好異常區(qū)影響區(qū)域采高,工作面沿煤層底板推進,推進過程中保證異常區(qū)與兩側正常區(qū)域頂底板平緩過渡。根據實際頂幫情況及時對工作面異常區(qū)及兩順槽巷道內疏軟的煤體進行注漿加固,嚴防大范圍片幫冒頂事故的發(fā)生。嚴格控制工作面每刀煤的工程質量,尤其是頂底板的坡度、平整度、溜子及支架直線度,嚴防支架傾倒,嚴防咬架。工作面采用追機拉架(拉架滯后機組上滾筒兩個架)的方法推進,移架要做到少降、快拉、快升,支架必須升緊,保證初撐力達標,不小于24 MPa

(3)異常區(qū)割軟煤的措施。割煤過程中采煤機滾筒要升夠高,割過煤后工作面要保證煤壁平直,無傘檐(傘檐長度超過1 m的,最突出部分不超過200 mm；長度在1 m 以下的,最突出部分不超過250 mm)。頂底板平直,如有特殊需要,調整時每循環(huán)頂底板與上一個循環(huán)頂底板錯差不能超過±100 mm,防止出現臺階,同時保證支架頂梁必須接頂嚴實。堅持追機拉架,必要時割一架機組停下來拉一架。在該段收護幫板時,根據煤體情況掌握好收回護幫板的角度,必須確保機組上滾筒能夠順利通過,不割護幫板,盡可能利用護幫板護住疏松的煤幫,邊收邊護,防止出現大的片幫。

4 結論

寺河礦在工作面推進的過程中,針對工作面存在坑透異常區(qū)、鉆孔異常區(qū)和地質異常區(qū),分別采取有效的措施,順利地通過W1305、W1307及6301工作面,既保證了工作進度,又保證了煤壁的穩(wěn)定性,無片幫冒頂事件的發(fā)生。

煤礦安全管理在煤礦生產中十分重要,而大采高綜采煤壁穩(wěn)定性在煤礦安全生產中占有舉足輕重的地位,因此對大采高綜采煤壁穩(wěn)定性的分析研究具有重要現實意義。