采煤工藝參數(shù)對(duì)工作面圍巖控制的影響分析

史留杰

(蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦，山西 晉城 048000)

引 言

一直以來(lái)，煤礦開(kāi)采效率和安全性備受煤礦企業(yè)和作業(yè)人員的關(guān)注，由于我國(guó)煤炭資源分布區(qū)域相對(duì)較廣，煤礦所屬煤層、地質(zhì)以及水文條件等各部相同，進(jìn)而對(duì)采煤工藝和支護(hù)方案提出了不同的要求[1]。為保證綜采工作面的安全生產(chǎn)，需根據(jù)工作面的地質(zhì)、水文等條件確定最佳采煤工藝參數(shù)，并為其設(shè)計(jì)最佳支護(hù)方案。本文著重研究不同采煤工藝參數(shù)對(duì)巷道圍巖的影響特性。

1 工程概況

某煤礦位于山西省，該煤礦南北走向距離為2.5 km，東西走向距離為2.7 km。經(jīng)探測(cè)可知，該煤礦可開(kāi)采的煤炭?jī)?chǔ)量約為2億t。該煤礦屬于低瓦斯礦井，瓦斯絕對(duì)涌出量小于0.3 m3/t。該煤礦采用一井一面的布置方式，主要設(shè)備為連續(xù)采煤機(jī)，并配置有高阻力液壓支架，目前工作面已實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸系統(tǒng)、支護(hù)錨噴化以及輔助運(yùn)輸膠輪化的全自動(dòng)生產(chǎn)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制功能。該工作面的頂?shù)装迩闆r，如表1所示。

表1 XX工作面頂?shù)装迩闆r

經(jīng)分析探測(cè)結(jié)果及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知：XX工作面的正常涌水量為12.5 m3/h，最大涌水31 m3/h。目前，為工作面所配置排水系統(tǒng)的最大排水能力為45 m3/h。

2 采煤工藝參數(shù)對(duì)沿空留巷的影響

為充分掌握不同采煤工藝參數(shù)對(duì)沿空留巷的影響，采用UDEC軟件對(duì)其中涉及到非介質(zhì)節(jié)理問(wèn)題進(jìn)行分析，著重對(duì)沿空留巷位移以及應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行分析，最終達(dá)到優(yōu)化采煤機(jī)工藝參數(shù)的目的。根據(jù)表1中所述的工程概況建立相應(yīng)的數(shù)值模擬模型，其中模型的尺寸為300 m×73.1 m，工作面采煤實(shí)際應(yīng)用的巷道為矩形巷道，矩形巷道尺寸為5 m×3 m。最終在所建立的數(shù)值模擬模型中根據(jù)所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)對(duì)頂?shù)装宓葏?shù)進(jìn)行設(shè)置[2]。

2.1 切頂卸壓對(duì)巷道的影響

根據(jù)XX工作面頂?shù)装宓那闆r，初步設(shè)定切頂卸壓的高度為7 m，并對(duì)具備切頂卸壓和不具備切頂卸壓模型在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中巷道位移及盈利的變化情況進(jìn)行對(duì)比分析[3]。仿真結(jié)果如下：

1) 當(dāng)采用切頂卸壓高度為7 m的采煤工藝時(shí)，巷道的應(yīng)力集中位置位于左側(cè)煤柱，且最大應(yīng)力值為33 MPa；對(duì)應(yīng)無(wú)切頂卸壓模型在實(shí)際開(kāi)采時(shí)應(yīng)力集中位置同樣位于巷道左側(cè)煤柱，且最大應(yīng)力值為37 MPa。得出：切頂卸壓工藝可有效降低工作面巷道的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2) 以巷道的頂板下沉量和左幫移近量分析切頂卸壓對(duì)巷道變形的影響，仿真結(jié)果如第125頁(yè)圖1所示。

如圖1所示，切頂卸壓工藝能夠有效抑制頂板和左幫的位移變化。具體表現(xiàn)為：切頂卸壓工藝對(duì)應(yīng)頂板的下沉量為22 cm，左幫移近量為26 cm；而非切頂卸壓工藝對(duì)應(yīng)頂板的下沉量可達(dá)49 cm，左幫移近量可達(dá)36 cm。

圖1 切頂對(duì)巷道變形情況的影響

2.2 采煤高度對(duì)巷道的影響

不同采煤高度對(duì)巷道應(yīng)力及位移變化的影響，采煤高度分別為1.5 m和3 m。經(jīng)仿真分析得出如下結(jié)論：

1) 當(dāng)采煤高度為1.5 m時(shí)，工作面頂板的垮落量為1.2 m；當(dāng)采煤高度為3 m時(shí)，工作面頂板的垮落量為2.5 m。即，隨著采煤高度的增加，工作面巷道頂板的壓力越來(lái)越大，其對(duì)應(yīng)垮落量越來(lái)越大。

2) 不同采煤高度對(duì)應(yīng)工作面巷道的應(yīng)力變化，如圖2所示。

圖2 不同采煤高度下對(duì)應(yīng)巷道應(yīng)力變化趨勢(shì)

由之前研究可知，在開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)力集中位置位于巷道左側(cè)煤幫，故對(duì)左幫煤壁不同位置的應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比。如圖2所示，當(dāng)采高為1.5 m時(shí)應(yīng)力最大位于左幫煤壁10 m的位置處，且最大應(yīng)力值為27 MPa；當(dāng)采高為3 m時(shí)應(yīng)力最大位置位于左幫煤壁13 m的位置，且最大應(yīng)力值為33 MPa。

綜上所述，隨著采煤高度的增加對(duì)應(yīng)巷道頂板的壓力不斷增加，并且最大應(yīng)力位置向工作面里走。因此，在滿足工作面采煤效率的基礎(chǔ)上確保采煤高度不應(yīng)太大[4]。

2.3 切頂高度對(duì)巷道的影響

在不同切頂高度3.6 m、8 m、9.6 m、14.4 m時(shí)對(duì)應(yīng)巷道應(yīng)力及位移變化情況，仿真結(jié)果分析如下：

1)不同切頂高度對(duì)應(yīng)巷道的最大應(yīng)力值和應(yīng)力位置，如表2所示。

表2 切頂高度對(duì)巷道應(yīng)力值及位置的影響

如表2所示，隨著切頂卸壓采煤工藝切頂高度的增加，對(duì)應(yīng)巷道的應(yīng)力集中位置靠近左幫煤壁向里移動(dòng)；且最大應(yīng)力值不斷減小，但其最大應(yīng)力值變化不明顯。

2) 不同切頂高度對(duì)應(yīng)巷道及底板的變形量，如圖3所示。

圖3 不同切頂高度巷道的位移量變化

如圖3所示，隨著切頂高度的增加，巷道頂板和底板的變形均在減小；且當(dāng)切頂高度大于10 m后，巷道頂板和底板的變形率減小。即可近似認(rèn)為：當(dāng)切頂高度大于10 m后，切頂高度對(duì)巷道位移變化幾乎不影響。因此，應(yīng)將切頂高度控制在8 m～10 m。

2.4 切頂角度對(duì)巷道的影響

在不同切頂角度0°、10°、20°時(shí)對(duì)應(yīng)巷道應(yīng)力及位移變化情況，仿真結(jié)果分析如下：

1) 不同切頂角度對(duì)應(yīng)巷道的最大應(yīng)力值和應(yīng)力位置，如表3所示。

表3 切頂角度對(duì)巷道應(yīng)力值及位置的影響

如表3所示，切頂角度對(duì)巷道最大應(yīng)力值和應(yīng)力集中位置的影響不大。

2) 不同切頂角度對(duì)應(yīng)巷道及底板的變形量，如圖4所示。

圖4 不同切頂角度度巷道的位移量變化

如圖4所示，隨著切頂角度的增加，巷道頂板和底板的變形均在增加；且當(dāng)切頂角度大于20°后，巷道頂板和底板的變形率增加。即可近似認(rèn)為：當(dāng)切頂高度小于20°時(shí)，切頂角度對(duì)巷道位移變化幾乎不影響。因此，應(yīng)將切頂高度控制在10°～20°[5]。

3 總結(jié)

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，除了采用有效的支護(hù)手段可對(duì)工作面圍巖控制效果進(jìn)行影響外，實(shí)踐表明，在不同采煤工藝下其對(duì)應(yīng)工作面圍巖控制效果各不相同，本文著重對(duì)采煤高度、切頂高度以及切頂角度等參數(shù)對(duì)工作面巷道的應(yīng)力及變形影響特性進(jìn)行分析，最終得出：XX工作面最佳采煤高度應(yīng)設(shè)為1.5 m；最佳切頂高度應(yīng)控制在8 m～10 m，最佳切頂角度應(yīng)控制在10°～20°。