胡光軍,廖洪波,蘭利平,吳尋云

(四川達竹煤電(集團)有限責(zé)任公司 小河嘴煤礦,四川 達州 635000)

隨著煤炭資源的日益枯竭,薄煤層開采逐漸得到重視[1-3].我國薄煤層儲量豐富,且分布廣泛,主要分布于我國南方地區(qū)[4,5].薄煤層地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖變形大[6,7]、開采困難、采出率低,鑒于此,薄煤層開采仍是整個行業(yè)亟需解決的難題.對于薄煤層的開采工藝,眾多學(xué)者總結(jié)了大量的研究成果.曹善華等[8]針對破碎頂板薄煤層開采,研制了“三機”綜采設(shè)備,并成功運用于生產(chǎn)實踐中.周開平[9]通過組合定位技術(shù),解決了薄煤層采煤機定位導(dǎo)航的問題.郭志飚等[10]針對薄煤層切頂卸壓技術(shù),通過理論推導(dǎo)得到了切頂關(guān)鍵參數(shù)的計算公式.羅文等[11]根據(jù)傳統(tǒng)薄煤層采煤機的優(yōu)缺點,引進了等高式采煤機,有效解決了采煤機檢修難的問題.余偉健等[12]根據(jù)半煤巖巷的力學(xué)特征,認為軟弱薄煤層支護關(guān)鍵在于控制煤巖滑移和找準(zhǔn)錨固點.巨峰等[13]針對薄煤層頂?shù)纂p軟特征,通過調(diào)整巷旁支護,改進了薄煤層沿空留巷效果.趙麗娟等[14]從薄煤層采煤機參數(shù)的角度進行研究,采用仿真模擬得到了薄煤層采煤機的最優(yōu)設(shè)計參數(shù).還有其他學(xué)者從開采順序、自動化開采等[15,16]方面對薄煤層開采工藝進行了研究.

由于工程地質(zhì)條件復(fù)雜,在進行近距離薄煤層的開采過程中,總是存在諸多問題.因此,本文以四川小河嘴煤礦-1212(21)工作面為工程背景,采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場應(yīng)用相結(jié)合的方法,研究了極近距離極薄煤層軟頂條件下圍巖與支架的作用機理,并在原有支護設(shè)計上進一步提出返修支護設(shè)計,為極近距離極薄煤層的安全高效開采提供理論支撐和技術(shù)保障.

1 工程概況及問題

1.1 地質(zhì)條件

圖1 K21工作面空間關(guān)系

小河嘴煤礦-1212(21)工作面走向長度為801.0～860.0 m,埋深650 m;煤層傾角26°～34°,平均30°;煤層厚度0.75～1.09 m,平均0.89 m,為極薄煤層.K21工作面空間關(guān)系如圖1.煤層直接頂板巖性為灰色粉砂質(zhì)泥巖夾數(shù)層煤線,硬度系數(shù)2～3,屬極不穩(wěn)定直接頂,局部地段存在偽頂,其巖性為灰色泥巖.K21煤層與K22煤層間距為1.04～1.60 m,一般為1.33 m.K22煤層已開采,且割去K21煤層頂板0.8 m.-1212(21)工作面部分煤巖綜合柱狀圖見圖2.

圖2 -1212(21)工作面部分煤巖綜合柱狀圖

1.2 存在問題

針對極近距離極薄煤層軟頂條件下的開采,-1212(21)工作面采用爬底板綜合機械化采煤工藝.采用MG200/245-TPD型單滾筒爬底板交流電牽引采煤機落煤、裝煤,采用SGB520/55邊雙鏈刮板運輸機運煤,采用ZQY2600/07/16型液壓支架支護頂板.

圖3 -1212(21)工作面頂板情況

由于歷史原因,K22煤層已開采,開采K22煤層時底板應(yīng)力對K21煤層直接頂造成了一次破壞.在這種條件下采用爬底式綜合機械化開采,經(jīng)常出現(xiàn)煤壁直接頂割煤后垮落,支架上的破碎頂板從機道和架間空隙漏出(如圖3所示),造成工作面部分支架不接頂,嚴(yán)重時工作面支架不接頂連續(xù)長度超20 m,影響工作面整體的開采進度、安全和煤質(zhì).另外,由于回采過程中工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈,工作面端頭頂板維護困難,且經(jīng)多次動壓影響回采巷道的維護也十分困難,嚴(yán)重制約礦山安全高效生產(chǎn).

為應(yīng)對以上問題,采取了擦頂帶壓拉架控制頂板,拉架時支設(shè)調(diào)架支柱,采用木支柱在煤壁支設(shè)臨時支柱等措施,雖對機道頂板垮落有一定控制,但對架間漏矸處理效果不好,支架的接頂效果沒得到根本性改變.

2 圍巖-支架作用機理

2.1 圍巖與支架的相互作用

工作面在架設(shè)支架后,工作面支架形成的構(gòu)筑物必須與開采后形成的上覆巖層大結(jié)構(gòu)相適應(yīng).采空區(qū)側(cè)頂板矸石充分冒落壓實后,對上覆巖層形成了“煤壁-支架-采空區(qū)已冒落矸石”組成的組合支承體系(如圖4所示).此時,直接頂?shù)暮脡膶Q定組合支承體系對上覆巖層的支承作用.完整的直接頂(見圖4a)能保證頂板應(yīng)力的傳遞,充分發(fā)揮支架對頂板的支承作用.當(dāng)直接頂松散破碎且無護頂措施時,頂板將出現(xiàn)漏矸問題,甚至出現(xiàn)直接頂冒空(見圖4b).直接頂冒空將使支架頂梁與頂板的接頂情況惡化,導(dǎo)致無法利用支架的工作阻力通過直接頂防止老頂巖塊的失穩(wěn)和滑落.煤壁側(cè)和采空區(qū)將承受更大的上覆巖層壓力,導(dǎo)致工作面兩幫的變形破壞.為了充分發(fā)揮支架的作用,在破碎頂板條件下,應(yīng)采用良好的護頂措施,以保證頂板在傳遞力的關(guān)系上與支架的支撐力分布相適應(yīng).

圖4 “煤壁-支架-采空區(qū)已冒落矸石”組合支承體系

2.2 支承壓力分析

為了加強對-1212(21)工作面的頂板控制,增加頂板的整體結(jié)構(gòu),提升支架的工作阻力,改變工作面頂板的應(yīng)力分布,在原有支護的基礎(chǔ)上,提出極近距離極薄煤層爬底式綜采工作面鋪鋼絲網(wǎng)技術(shù).通過分析鋪鋼絲網(wǎng)前后工作面的支承壓力分布,比較鋪鋼絲網(wǎng)前后工作面支承壓力的變化,發(fā)現(xiàn)采用鋪鋼絲網(wǎng)技術(shù)可以有效控制頂板穩(wěn)定性.

2.2.1 工作面鋪鋼絲網(wǎng)前支承壓力分布情況

工作面鋪鋼絲網(wǎng)前的支承壓力分布情況如圖5所示.從圖5(α:煤層傾角；kγH:地應(yīng)力,其中:k為側(cè)壓系數(shù),γH為上覆巖層重量)可以判斷以下情況:(1)沒掛網(wǎng)時,由于頂板破碎,煤壁及支架上的頂板基本上漏完,支架控頂范圍內(nèi)屬卸壓區(qū);(2)支承頂板的高應(yīng)力區(qū)在工作面煤壁,當(dāng)割煤機割煤后,較軟的直接頂上部要承受老頂?shù)母邞?yīng)力,其底部要承受煤壁的剪切力,從而導(dǎo)致直接頂從煤壁斷裂;(3)工作面煤壁垮落后,支架上的碎矸從機道和架間漏矸后,支架基本上無初撐力和工作阻力;(4)如果不采取措施,工作面頂板控制將形成惡性循環(huán).

2.2.2 工作面鋪鋼絲網(wǎng)后支承壓力分布情況

工作面鋪鋼絲網(wǎng)后支承壓力分布情況如圖6所示.從圖6可以看出:(1)工作面支架的工作阻力支護區(qū)是老頂應(yīng)力最大區(qū);(2)煤壁避開了應(yīng)力峰值區(qū),受老頂?shù)挠绊?應(yīng)力降低較多,趨于應(yīng)力穩(wěn)定區(qū);(3)鋪鋼絲網(wǎng)后架前架間漏矸得到了控制,支架的工作阻力、穩(wěn)定性得到較好提升.

圖5 未鋪鋼絲網(wǎng)的工作面支承壓力分布

圖6 加鋪鋼絲網(wǎng)的工作面支承壓力分布

3 數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型

本文采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究極近距離極薄煤層爬底式綜采工作面鋪鋼絲網(wǎng)技術(shù)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律.故建立150 m×60 m×90 m的數(shù)值計算模型,如圖7所示.模型底部和四周均采用固定位移邊界,模型上部原巖應(yīng)力簡化為均布面力施加到模型上表面.采用Mohr-Coulomb模型,-1212(12)工作面圍巖力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 -1212(12)工作面圍巖力學(xué)參數(shù)

圖7 數(shù)值計算模型

3.2 結(jié)果分析

隨著滯后工作面推進,對工作面頂板進行鋼絲網(wǎng)鋪設(shè),得到應(yīng)力分布結(jié)果見圖8.從圖8可以看出,雖然工作面煤壁仍處于支承頂板的高應(yīng)力區(qū),但高應(yīng)力區(qū)逐漸向鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)的工作面頂板轉(zhuǎn)移,工作面支架的工作阻力支護區(qū)成為老頂應(yīng)力最大區(qū).隨著工作面的不斷推進,工作面支架的工作阻力支護區(qū)的最大應(yīng)力可達32 MPa左右,而煤壁處的最大應(yīng)力降低到26 MPa左右.

圖8 不同推進距離垂直應(yīng)力分布

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 回采工藝

4.1.1 材料準(zhǔn)備

圖9 -1212(21)工作面鋪設(shè)所用鋼絲網(wǎng)

施工前,準(zhǔn)備鋼絲網(wǎng)(長×寬=20.0 m×0.6 m),木挑方(長×寬×高=0.80 m×0.03 m×0.03 m),木支柱(直徑0.12 m,長1.05 m),金屬鉗、單頭、撬棍等材料工器具.鋪設(shè)所用的鋼絲網(wǎng)如圖9所示.

4.1.2 工藝流程

1)工作面割煤期間,每割出一個號位后,必須停止割煤機及工作面溜子運行,號位人員進入本號位處理安全,設(shè)置好分段擋矸設(shè)施,并在煤壁對新揭露的頂板打好臨時支護.

2)號位人員通過語言號聯(lián)系工作面上出口輔助人員,由上出口人員將號位所需的鋼絲網(wǎng)、木挑方等通過工作面溜子運至工作面內(nèi)使用位置.

3)號位人員拿到鋼絲網(wǎng)后,先將鋼絲網(wǎng)在機道內(nèi)由上向下鋪開,再使用夾鉗、鐵絲將鋪開的鋼絲網(wǎng)與工作面原來鋪設(shè)的網(wǎng)進行連接.

4)為保證鋼絲網(wǎng)連接效果及可靠性,鋼絲網(wǎng)連接間距不得大于0.5 m.頂板破碎時,連接間距不得大于0.3 m.

5)連接好的鋼絲網(wǎng)使用木挑方托起,使鋼絲網(wǎng)能夠貼緊頂板.木挑方一端插入液壓支架前探梁內(nèi),并上升支架,若因頂板不平,造成部分支架前探梁無法接頂時,必須將木挑方另一端使用木支柱撐緊,以保證鋪設(shè)的鋼絲網(wǎng)接頂.

6)為保證護頂效果,鋪設(shè)的鋼絲網(wǎng)必須接頂且鋪設(shè)平整.

7)鋼絲網(wǎng)鋪設(shè)好后開始拉架.拉架時,為盡量不破壞工作面頂板,造成已鋪設(shè)的鋼絲網(wǎng)形成網(wǎng)兜,支架要盡量少降快移,支架移到位后,及時上升支架支護頂板.

8)工作面支架拉到位后,支架前端鋼絲網(wǎng)必須留出5～10 cm距離,便于工作面下一循環(huán)再次連接.

4.2 應(yīng)用效果

在-1212(21)工作面推行鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)護頂技術(shù)后,工作面拉架期間,頂板得到了較好的保護及控制(如圖10所示),取得了以下效果:

1)工作面頂板鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)后,割煤后煤壁頂板的完整性得到了提升,較以往垮落的次數(shù)和頻率減少,煤壁頂板基本得到了控制.

2)工作面頂板鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)后,支架接頂效果明顯好轉(zhuǎn),支架的初撐力及工作阻力得到了提升.

3)工作面拉架期間,因頂板松散造成的架間漏矸現(xiàn)象得到較好控制,大幅減少了職工二次收矸工作量,降低了職工勞動強度.

4)工作面頂板鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)后,杜絕了因拉架造成的頂板掉矸傷人及掉下的矸石下竄傷人事故,保證了職工作業(yè)安全.

5)工作面頂板鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)后,減少了工作面拉架期間架間漏矸量,提升了煤質(zhì),煤質(zhì)平均灰分減少超過5個百分點.

6)工作面頂板鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)后,由于拉架期間頂板漏矸得到控制,杜絕了因頂板漏空造成的支架無法接頂、失穩(wěn)現(xiàn)象,有效解決了支架下滑及支架架態(tài)差的問題.

圖10 -1212(21)工作面鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)效果

5 結(jié)論

1)針對小河嘴煤礦-1212(21)工作面極近距離極薄煤層軟頂條件,基于圍巖-支架作用機理,發(fā)現(xiàn)直接頂?shù)耐暾潭仁菦Q定“煤壁-支架-采空區(qū)已冒落矸石”組合支承體系的關(guān)鍵.

2)基于“煤壁-支架-采空區(qū)已冒落矸石”組合支承體系,提出了極近距離極薄煤層爬底式綜采工作面鋪鋼絲網(wǎng)技術(shù).

3)數(shù)值模擬對比分析鋼絲網(wǎng)鋪設(shè)前后煤壁的支承壓力,發(fā)現(xiàn)應(yīng)力最大區(qū)向支架控頂范圍轉(zhuǎn)移,支架阻力得到了提升,煤壁片幫現(xiàn)象得到改善.

4)成功將極近距離極薄煤層爬底式綜采工作面鋪鋼絲網(wǎng)技術(shù)進行了現(xiàn)場應(yīng)用,工作面頂板漏矸得到了有效控制,解決了支架接頂效果差等問題.