趙海兵

(大同煤礦集團(tuán)公司云岡礦)

大采高工作面采高的合理確定研究

趙海兵

(大同煤礦集團(tuán)公司云岡礦)

大采高工作面煤壁片幫是影響安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問題之一，隨著采高的增加，工作面煤壁前方片幫概率越來越大。通過運(yùn)用FLAC3D軟件模擬分析煤壁前方塑性區(qū)及頂板下沉量來選取合理的采高，選擇合理的支架參數(shù)以增加煤壁頂?shù)闹ёo(hù)強(qiáng)度，減小支架和煤壁區(qū)域拉應(yīng)力區(qū)的范圍，降低煤壁片幫率，達(dá)到高產(chǎn)高效的目的。

大采高 片幫 支護(hù)強(qiáng)度

煤礦大采高開采能夠?qū)崿F(xiàn)高產(chǎn)高效，提高經(jīng)濟(jì)效益，建設(shè)高產(chǎn)高效礦井是我國煤炭事業(yè)發(fā)展的主旋律，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、可持續(xù)發(fā)展的必由之路。大采高開采的特點(diǎn)是工作面煤壁高，暴露空間大，煤壁片幫概率大，由于采高較大，片幫的處理比普通采高的難度大。因此，煤壁片幫是大采高工作面的技術(shù)難題，并被眾多學(xué)者所關(guān)注。通過FLAC3D軟件對(duì)大采高工作面不同采高條件下，發(fā)生片幫冒頂?shù)那闆r進(jìn)行模擬分析，選擇合理的采高，對(duì)于大采高工作面高產(chǎn)高效有一定的積極意義。

1 工作面概況

12#層408盤區(qū)8812-1工作面標(biāo)高為990～1 038 m，上覆地面位于后黑梁洼以東，溝谷分布廣泛，西高東低，有3條公路沿南北向通過其上?；夭蓵?huì)造成地面產(chǎn)生裂隙和塌陷。本工作面北部為410軌，西部為8812小切巷軌，南部為8814工作面，東部為新408軌、新508輔、408皮3條盤區(qū)巷，工作面走向長866 m，傾斜長150 m。煤層厚3.5～6.2 m，平均厚5.09 m，局部含夾石，傾角為1°～6°，平均傾角為3.5°，煤層總體比較穩(wěn)定，局部受沖刷影響厚度變薄，最薄處為3.5 m。煤層老頂為灰色粉細(xì)砂巖互層，工作面東部的上覆發(fā)育有中粒砂巖，中、西部的上覆夾有11-1煤，厚13.67～24.6 m，平均厚19.3 m;直接頂為灰色粗粉砂巖，新408軌以西350 m 范圍頂板發(fā)育有1.38 m的粉砂巖和0.34 m的碳質(zhì)泥巖，厚7.17～8.69 m，平均厚7.9 m;直接底為灰白色細(xì)粒砂巖，質(zhì)地堅(jiān)硬，平均厚10 m。工作面布置見圖1。

圖1 工作面布置示意

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

根據(jù)地質(zhì)條件，從下到上依次為直接底(細(xì)粒砂巖)、煤層、直接頂(粗粉砂巖)、老頂(粉細(xì)砂巖)。煤層走向長860 m，地面標(biāo)高為1 294～1 319 m，工作面標(biāo)高為990～1 038 m，煤層最大埋深為304 m，最小埋深為281 m。FLAC3D建模從下到上依次為平均厚10 m的細(xì)粒砂巖、平均厚5 m的煤層、平均厚8 m的粗粉砂巖、平均厚19 m的粉細(xì)砂巖。為便于計(jì)算，模型長300 m，寬150 m，高42 m，老頂距地面平均高度為300 m，在老頂以下施加一個(gè)均布載荷，限制煤層底板的垂直和水平位移，同時(shí)模型兩邊為滾動(dòng)支承，模型共有19 350個(gè)網(wǎng)格，21 824個(gè)節(jié)點(diǎn)。所建模型見圖2。

圖2 工作面模型示意

2.2 模擬結(jié)果分析

在數(shù)值模型中，模型上方未模擬的層按等效載荷代替，計(jì)算公式為

P=γΣH,

(1)

式中，P為等效載荷，MPa;γ為巖(煤)體容重，25 kN/m3;H為巖(煤)體厚度，30 m。

對(duì)于大采高工作面煤壁附近的煤體發(fā)生破壞的區(qū)域并不一定會(huì)導(dǎo)致片幫，但是片幫必定發(fā)生在破壞煤體之內(nèi)，而且破壞區(qū)域特別是拉伸破壞區(qū)域越大，發(fā)生片幫的可能性和嚴(yán)重程度也將會(huì)越大。從煤體變形角度來看，煤體在采動(dòng)影響下位移總量越大，其變形量也越大，發(fā)生片幫的幾率和嚴(yán)重程度也將越大。因此，主要從以下3點(diǎn)對(duì)工作面煤壁分析：①煤壁最大垂直位移量變化規(guī)律；②煤壁最大水平位移量變化規(guī)律；③煤壁前方煤體破壞范圍和破壞形式。

2.2.1 工作面頂板下沉量

不同采高時(shí)工作面頂板垂直位移變化見圖3?？芍?8812-1工作面從開切眼處向前推進(jìn)40 m過程中,隨著采高的增加，煤壁前方頂板下沉量越來越大。當(dāng)采高分別為2，3 m時(shí)，煤壁前方頂板下沉量分別為36.9，38.7 mm,頂板下沉量緩慢增加；當(dāng)采高分別為4,5,6 m時(shí)，頂板下沉量分別為41,45.5,47.1 mm。由此可見，當(dāng)工作面采高大于4 m時(shí)，頂板下沉量顯著增加。隨著采高的增加，頂板的穩(wěn)定性急劇惡化，煤壁前方的穩(wěn)定性顯著降低，片幫概率也顯著增加。

圖3 不同采高時(shí)工作面頂板垂直位移變化

2.2.2 工作面水平位移量

不同采高時(shí)工作面水平位移變化見圖4?？芍?8812-1工作面從開切眼處向前推進(jìn)40 m過程中,隨著采高的增加，煤壁前方水平位移量越來越大。當(dāng)采高分別為2，3 m時(shí)，煤壁前方水平位移量分別為4.78，5.06 mm,工作面水平位移量緩慢增加；當(dāng)采高分別為4，5，6 m時(shí)，工作面前方最大水平位移量分別為5.34，5.7，6.13 mm。由此可見，采高為4 m時(shí)，對(duì)工作面煤壁前方水平位移量產(chǎn)生明顯影響。

圖4 不同采高時(shí)工作面水平位移變化

2.2.3 工作面煤壁前方塑性區(qū)分布

不同采高時(shí)工作面煤壁前方塑性區(qū)分布見圖5?？芍?8812-1工作面從開切眼處向前推進(jìn)40 m過程中，當(dāng)采高為2m時(shí)，工作面煤壁前方的煤體主要是以剪切破壞為主；當(dāng)采高為3 m時(shí)，工作面煤壁前方主要以剪切破壞為主，同進(jìn)有少量的拉伸破壞；當(dāng)采高為4 m時(shí)，工作面煤壁前方存在剪切破壞和拉伸破壞，同時(shí)拉伸范圍在逐漸擴(kuò)大；當(dāng)采高為5 m時(shí)，工作面煤壁主要是以剪切破壞和拉伸破壞為主，拉伸破壞進(jìn)一步擴(kuò)大；當(dāng)采高為6 m時(shí)，工作面前方主要以拉伸破壞為主。隨著工作面采高的增加，煤壁的穩(wěn)定性越來越差，煤壁前方由剪切破壞變?yōu)橐岳炱茐臑橹鳌?/p>

圖5 不同采高時(shí)工作面煤壁前方塑性區(qū)分布

綜上所述，采高為4 m時(shí)，工作面水平位移、頂板下沉量、煤壁前方塑性區(qū)開始顯著變化，煤壁片幫影響開始嚴(yán)重。結(jié)合8812-1工作面具體情況，采高最終選擇為4.0～4.2 m。

3 工作面設(shè)備選擇

大采高液壓支架的架型參數(shù)主要有以下幾種：①支架支護(hù)強(qiáng)度,代表支架對(duì)工作面頂板的支護(hù)能力,合理的支護(hù)強(qiáng)度對(duì)防治煤壁片幫，保護(hù)工作面頂板的完好性起著非常重要的作用;②支架支護(hù)高度,不僅要考慮到最大和最小支護(hù)高度，還要考慮到支架的穩(wěn)定性，隨著支架高度的增加其穩(wěn)定性降低。

工作面支護(hù)強(qiáng)度采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

q=9.8hγyk,

(1)

式中,q為工作面的合理支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2；h為采高，4.2 m；γy為頂板巖石容重，25 kN/m3；k為工作面支架支護(hù)的上覆巖層厚度與采高之比，取7。

計(jì)算得出工作面支護(hù)強(qiáng)度q=0.720 3 MPa。8812-1工作面使用的ZZ9900/29.5/50型液壓支架支護(hù)強(qiáng)度為0.85～0.94 MPa，能夠滿足工作面支護(hù)強(qiáng)度要求。

8812-1工作面支架需要承受的載荷為頂煤重量和6～8倍采高的巖石重量(取上限8)，即

支架承受巖石重量為

Qy=8×9.8McosαSγy,

(2)

支架承受最大頂煤重量為

Qm=9.8McosαS×1.29 ,

(3)

支架承受的總載荷為

Qz=Qy+Qm,

(4)

式中,Qy為巖石重量，kN；Qm為頂煤重量，kN;Qz為支架承受的總載荷，kN；M為采高，4.2 m；S為支架承受的頂板面積，m2；γy為頂板巖石容重，取25 kN/m3；α為煤層傾角，3.5°。

計(jì)算得出Qy=7 836.35 kN,Qm=505.44 kN,Qz=8 341.79 kN。ZZ9900/29.5/50支架的工作阻力為9 900 kN，完全能夠承受工作面壓力。

工作面設(shè)備配置情況見表1。

表1 工作面設(shè)備配置

8812-1工作面選用89架ZZ9900/29.5/50型液壓支架支護(hù)頂板，能夠滿足工作面支護(hù)強(qiáng)度要求，工作面最小端面距為0.565 m，最大端面距為1.43 m，最小控頂距為6.015 m，最大控頂距為6.88 m。

4 結(jié) 論

結(jié)合工作面實(shí)際情況，最終采高確定為4.0～4.2m，剩余部分留作頂煤。工作面來壓期間，片幫長38～62m，平均為50m，占整個(gè)工作面長度的25.3%～41.3%，平均為33.3%，非來壓期間，片幫長10～28m,平均為16m，占整個(gè)工作面長度的6%～18.6%，平均為12%。工作面來壓期間煤壁片幫為平時(shí)的2.8倍，選擇使用ZZ9900/29.5/50型液壓支架，護(hù)幫高度為1.7m，能夠滿足生產(chǎn)需要，共觀測(cè)1444個(gè)有效循環(huán)，來壓38次，初次來壓步距一次，來壓步距為34m，支架最大工作阻力為31MPa；周期來壓37次，來壓步距平均為22m，支架最大工作阻力為40MPa，平均工作阻力為37MPa，周期來壓較平穩(wěn)，月產(chǎn)達(dá)20萬t，滿足高效安全生產(chǎn)的要求。

2014-10-19)

趙海兵(1982—)，男，助理工程師，碩士，037000 山西省大同市。