胡廣宇

(山西晉煤集團(tuán)寺河礦,山西晉城 048000)

0 前言

我國煤炭儲(chǔ)量豐富,厚煤層占全國煤炭儲(chǔ)量的40%以上。厚煤層開采技術(shù)隨著科技的不斷進(jìn)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(diǎn)。厚煤層大采高綜采的安全高效技術(shù)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[1]。

大采高工作面回采過程中煤壁的穩(wěn)定性受煤體內(nèi)原生節(jié)理裂隙及其擴(kuò)展演化效應(yīng)的很大影響[2]。此外,煤壁的穩(wěn)定性還受到采動(dòng)應(yīng)力、頂板活動(dòng)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(huì)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(xiàn)實(shí)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(jìn)度0 m～252 m 之間,工作面存在沖刷變薄帶,區(qū)域內(nèi)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(jìn)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(shù)f=1～2。

圖1 寺河礦綜采工作面

根據(jù)巷道掘進(jìn)、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(zhì)異常區(qū)。工作面進(jìn)入異常區(qū)及附近回采將可能出現(xiàn)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(xiàn)象。

工作面綜采設(shè)備采用德國艾柯夫公司生產(chǎn)的雙滾筒電牽引式SL500型采煤機(jī),總裝機(jī)功率1 875 kW,該采煤機(jī)裝機(jī)功率大,可實(shí)現(xiàn)大采高工作面雙向截割,生產(chǎn)能力大,遠(yuǎn)距離遙控操作,運(yùn)行平穩(wěn),能夠?qū)崿F(xiàn)閉鎖工作面刮板機(jī)功能。

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

2 煤壁穩(wěn)定性理論分析

在采掘前,煤壁處在原巖應(yīng)力狀態(tài),煤壁內(nèi)的應(yīng)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(yīng)力平衡受到采掘擾動(dòng)的破壞,位于工作面前方的煤壁會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,此時(shí),弱結(jié)構(gòu)面在應(yīng)力作用于節(jié)理裂隙而形成,在送個(gè)過程中并形成新的節(jié)理裂隙[3]。當(dāng)周期來壓來臨時(shí),在節(jié)理裂隙貫通的地方的煤壁容易發(fā)生破壞。當(dāng)頂板的壓力達(dá)到一定程度是便會(huì)產(chǎn)生煤壁片幫會(huì)現(xiàn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞,隨著工作面向前推進(jìn),大采高工作面由于開采空間大,覆巖離層產(chǎn)生自由空間大,護(hù)幫難度更大,從而導(dǎo)致煤壁片幫深度加劇。

根據(jù)Brady 節(jié)理煤體力學(xué)模型[4],由損傷力學(xué)的原理可知,含貫通節(jié)理裂隙的煤體可認(rèn)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(nèi)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(shù),φ為煤體的內(nèi)摩擦角,M為工作面采高。

圖2 煤壁支撐能力和采高關(guān)系圖

通過對該力學(xué)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(nèi)的支承壓力分布影響較大[5]。超前支承壓力峰值點(diǎn)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(nèi),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?shù)幕剞D(zhuǎn)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(zhuǎn)角度θ的增大而逐漸增大。因?yàn)榛净剞D(zhuǎn)角的增大使得直接頂?shù)南鲁亮吭黾?直接頂對工作面前方煤體的作用加劇,進(jìn)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(yù)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(zhì)異常區(qū),1#坑透異常區(qū)：影響范圍為推進(jìn)度0 m～145 m 之間?？油革@示場強(qiáng)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(cè)起逐漸向東北11巷側(cè)延伸,沖刷帶內(nèi)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(shù)：

(1)提高工作面推進(jìn)速度

當(dāng)工作面推進(jìn)速度較慢時(shí),煤壁的應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)采用綜合機(jī)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(qiáng)護(hù)幫裝置的管理

根據(jù)工作面情況加強(qiáng)頂幫支護(hù)管理,采用追機(jī)帶壓移架(拉架滯后機(jī)組上滾筒兩個(gè)架)降低頂板破碎風(fēng)險(xiǎn),移架要做到少降、快拉、快升,支架必須升緊,保證初撐力達(dá)標(biāo)。可通過提高水平推力及延長頂板及煤壁支護(hù)時(shí)間等方式最大程度的發(fā)揮護(hù)幫裝置的作用。

(3)做好地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)的采高控制

綜采一次采全高時(shí),煤層厚度越大,越容易發(fā)生片幫冒頂事故。因此,當(dāng)工作面頂?shù)装鍡l件不好或片幫嚴(yán)重時(shí),要嚴(yán)格控制工作面每刀煤的工程質(zhì)量,尤其是頂?shù)装宓钠露?、平整度、溜子及支架直線度,嚴(yán)防支架傾倒,嚴(yán)防咬架。同時(shí)采取留頂煤沿底板推進(jìn),及時(shí)跟機(jī)移架護(hù)頂和推移刮板輸送機(jī)?？刂撇筛吆蜏p小采煤機(jī)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(jī)理分析研究,寺河礦針對工作面的復(fù)雜構(gòu)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(shí)的措施。過斷層前5 m～10 m,適當(dāng)調(diào)整工作面?zhèn)涡倍葦?shù)(逐步調(diào)整機(jī)尾超前,機(jī)頭相對落后),改變工作面方向,增大斷層與工作面斜交度數(shù),減少異常區(qū)域?qū)ぷ髅嬗绊憽拿罕诰€往外50 m 采用5 m 板梁或π 型鋼梁進(jìn)行架棚維護(hù),20 m 范圍內(nèi)為一梁四柱,20 m～50 m 為一梁兩柱。同時(shí)在原有支護(hù)的基礎(chǔ)上另增加1～2排單體柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)或延長超前支護(hù)距離,并保證800 mm安全出口。

(2)工作面過地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)時(shí)的措施。根據(jù)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(jìn),推進(jìn)過程中保證異常區(qū)與兩側(cè)正常區(qū)域頂?shù)装迤骄忂^渡。根據(jù)實(shí)際頂幫情況及時(shí)對工作面異常區(qū)及兩順槽巷道內(nèi)疏軟的煤體進(jìn)行注漿加固,嚴(yán)防大范圍片幫冒頂事故的發(fā)生。嚴(yán)格控制工作面每刀煤的工程質(zhì)量,尤其是頂?shù)装宓钠露?、平整度、溜子及支架直線度,嚴(yán)防支架傾倒,嚴(yán)防咬架。工作面采用追機(jī)拉架(拉架滯后機(jī)組上滾筒兩個(gè)架)的方法推進(jìn),移架要做到少降、快拉、快升,支架必須升緊,保證初撐力達(dá)標(biāo),不小于24 MPa

(3)異常區(qū)割軟煤的措施。割煤過程中采煤機(jī)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?shù)装迤街?如有特殊需要,調(diào)整時(shí)每循環(huán)頂?shù)装迮c上一個(gè)循環(huán)頂?shù)装邋e(cuò)差不能超過±100 mm,防止出現(xiàn)臺(tái)階,同時(shí)保證支架頂梁必須接頂嚴(yán)實(shí)。堅(jiān)持追機(jī)拉架,必要時(shí)割一架機(jī)組停下來拉一架。在該段收護(hù)幫板時(shí),根據(jù)煤體情況掌握好收回護(hù)幫板的角度,必須確保機(jī)組上滾筒能夠順利通過,不割護(hù)幫板,盡可能利用護(hù)幫板護(hù)住疏松的煤幫,邊收邊護(hù),防止出現(xiàn)大的片幫。

4 結(jié)論

寺河礦在工作面推進(jìn)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(zhì)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(jìn)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(chǎn)中十分重要,而大采高綜采煤壁穩(wěn)定性在煤礦安全生產(chǎn)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(xiàn)實(shí)意義。