高陽煤礦綜放工作面合理割煤高度及端面距研究

王鴻鵬

(孝義市經(jīng)濟轉型發(fā)展研究中心, 山西 孝義 032300)

1 工程概況

高陽煤礦31108綜放工作面主采太原組9-10-11號煤層,煤層最小厚度7.5 m,最大厚度8.5 m,平均8.04 m.煤層結構為0.7(0.1)5.68(0.1)1.46,煤層結構復雜,煤層傾角平均為8°.煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装褰Y構

31108綜放工作面走向長度為718 m,傾向長度為240 m,工作面南鄰31106工作面(未掘),西部為三采區(qū)大巷保護煤柱,北為31110工作面(未掘),東部臨近賢者向斜軸部。工作面采用長壁綜合機械化低位放頂煤采煤法,采空區(qū)采用頂板全部垮落法處理。為降低綜放工作面礦壓顯現(xiàn)程度,防止工作面出現(xiàn)冒頂或煤壁大范圍片幫的現(xiàn)象,需對工作面割煤高度、端面距等參數(shù)進行研究確定[1-2]。

2 綜放工藝參數(shù)理論分析

2.1 煤壁穩(wěn)定性分析

工作面煤壁受超前支承應力的影響,內部生成較多的裂隙損傷,隨著損傷破壞范圍的增加,最終形成了煤壁大范圍片幫[3]。根據(jù)現(xiàn)場觀測,工作面煤壁多在靠近支架頂梁處發(fā)生滑落式片幫,因此,建立煤壁穩(wěn)定性力學模型如圖1所示。

根據(jù)力學模型進一步推導出煤體保持極限穩(wěn)定時,支架工作阻力與割煤高度間的關系式如下[4]:

(1)

式中:P為覆巖載荷,MPa;Fhb為液壓支架的護幫阻力,kN;α為煤巖體剪切破壞角度,α=45°-φ/2,φ為煤巖體內摩擦角;f1為煤體與頂板間的摩擦系數(shù);f2為與煤體內聚力有關的系數(shù),主要表示煤體間的摩擦系數(shù);γg為上覆巖層平均容重,取25 kN/m3.

將31108綜放工作面的相關參數(shù)代入式(1),可得出支架所需工作阻力與割煤高度間的關系,如圖2所示。

圖2 支架所需工作阻力與割煤高度間的關系

由圖2可知,支架阻力與割煤高度呈線性相關,隨著割煤高度的增大而增大,目前31108工作面使用的支架提供的工作阻力約為12 000 kN,代入式(1)可得出最大的割煤高度為3.2 m.

2.2 支架端面距

端面距是指支架頂梁最前端與煤壁間的距離,其對工作面作業(yè)空間內的頂煤及煤壁穩(wěn)定性具有重要影響。一般采用數(shù)值模擬的方法分析端面距對工作面煤體穩(wěn)定性的影響。由于綜放開采的采動強度較大,導致煤體內的次生裂隙發(fā)育程度較高,形成縱橫交錯的網(wǎng)狀結構,因此在模擬時,用三角形四面體網(wǎng)格進行煤巖體的建模。

3 綜放工藝參數(shù)模擬分析

3.1 建立模型

為確定出合理的綜放工藝參數(shù),根據(jù)31108綜放工作面實際賦存條件,采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立分析模型,模型長×寬×高=200 m×150 m×80 m,模型頂部施加10 MPa的垂直應力模擬覆巖壓力,模型四周及底部施加位移約束。模擬中的巖體破壞準則為摩爾-庫倫準則,煤巖體參數(shù)見表2.

表2 煤巖體物理力學參數(shù)

3.2 割煤高度分析

模擬中的割煤高度分別為2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m,工作面的放煤步距為一采一放。

圖3(a)為不同割煤高度下工作面不同位置處頂煤的最大位移,由圖3(a)可知,割煤高度為2.5～3.5 m時的頂煤位移量基本一致,但割煤高度增大至4 m時,頂煤位移量大幅下降,這是由于割煤高度大幅增加時,頂煤厚度變薄,采動形成的應力集中向頂板上方的完整巖體內集中,未波及到頂煤。圖3(b)為工作面煤壁最大水平位移與割煤高度間的關系。由圖3(b)可知,工作面端頭煤壁的最大水平位移普遍高于中部煤壁的水平位移,且隨著割煤高度的增加,端頭及中部煤壁最大水平位移均呈先減后增的趨勢,當割煤高度為3 m時,煤壁的水平位移最小。

圖3 不同割煤高度下工作面端面煤體的位移變化

由圖4可知,割煤高度的增大會導致超前支承應力峰值降低,但應力峰值的位置會逐漸向前移動。割煤高度由2 m增加至4.5 m時,應力峰值位置由4 m處前移至7 m處,且應力峰值逐漸降低,這說明隨著割煤高度的增大,煤體的塑形破壞范圍在逐漸擴大,煤體承載性能逐漸下降,礦壓顯現(xiàn)強度增大。

圖4 不同割煤高度下工作面超前支承應力分布規(guī)律

綜上分析可知,隨著割煤高度的增大,工作面的礦壓強度越大,煤壁自由面空間增大,對于煤壁的穩(wěn)定有不利影響,當割煤高度增加至4.0 m時,煤壁片幫的趨勢越加明顯;另外,隨著割煤高度的增大,頂煤的位移量會逐漸減小,一定程度上防止了頂煤冒頂?shù)陌l(fā)生,但不利于頂煤的冒放。因此,當割煤高度超過3.5 m時,煤壁變形空間大,易發(fā)生片幫,而當割煤高度低于2.5 m時,頂煤位移量將大幅增加,容易發(fā)生冒頂。因此,結合最大割煤高度理論計算結果,確定31108綜放工作面合理的割煤高度應為2.5～3.2 m。

3.3 端面距分析

模擬共設置6種端面距工況,分別為0 mm、250 mm、500 mm、750 mm、1 000 mm及1 250 mm.模擬時的放煤步距為一采一放,支架支護強度為2.6 MPa.

由圖5可知,在支架支護范圍內,尤其是支架尾部上方的頂煤位移量基本相同,但在支架頂梁前端上方頂煤的位移量會隨端面距的增加而增大,尤其當端面距超過250 mm時,最前方頂煤的位移量增幅較為明顯。因此,工作面支架端面距應不超過250 mm.

圖5 不同端面距下支架上方頂煤位移量變化情況

4 綜放工藝參數(shù)確定

1) 由模擬分析得出,31108綜放工作面合理的割煤高度范圍為2.5～3.2 m.根據(jù)現(xiàn)場實際煤層賦存情況、巷道掘進高度、采煤機與支架的配套關系,最終確定工作面割煤高度為2.7 m.

2) 根據(jù)數(shù)值模擬分析可知,減小端面距可以有效提高工作面煤體的穩(wěn)定性,考慮到采煤機的寬度及現(xiàn)場實際情況,最終確定端面距不超過250 mm.現(xiàn)場施工時應注意以下幾點:①控制采煤機的截深;②采煤機割煤后先移動支架及時支護頂板,后推移刮板機;③將支架調節(jié)為微仰狀態(tài),可進一步降低支架前方的空頂面積。

將分析確定的割煤高度及端面距應用于31108綜放工作面實際生產(chǎn)中并進行持續(xù)觀測,結果表明,在該采高及端面距下,工作面煤壁及頂煤的穩(wěn)定性較好,未發(fā)生大面積煤壁片幫及頂煤冒落的現(xiàn)象,保證了礦井的安全高效生產(chǎn)。

5 結 語

1) 建立了煤壁穩(wěn)定性力學模型,得出支架阻力與割煤高度呈線性相關,隨著割煤高度的增大而增大。目前31108工作面的支架工作阻力約為12 000 kN,則其最大的割煤高度為3.2 m.

2) 采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了不同割煤高度、不同端面距對工作面煤體穩(wěn)定性的影響,確定出31108綜放工作面合理的割煤高度應為2.5～3.2 m,且支架斷面距應不超過250 mm.

3) 根據(jù)現(xiàn)場實際煤層賦存情況、巷道掘進高度、采煤機與支架的配套關系,最終確定工作面割煤高度為2.7 m,端面距不超過250 mm,現(xiàn)場應用效果良好,工作面煤壁及頂煤的穩(wěn)定性較好,保證了礦井的安全高效生產(chǎn)。