煤柱工作面上覆岩层破断规律分析

宋杰

煤柱工作面上覆岩层破断规律分析

宋杰

针对王庄煤矿典型煤柱工作面实际情况，通过理论分析计算了煤柱工作面上覆岩层的破断规律，指导了采面的设备选型；并充分利用了已有的巷道和矿井生产系统，缓解了生产接替紧张状况，为类似条件下煤柱工作面的安全高效回采提供了科学有益的依据。

煤柱工作面;岩层破断;规律;分析

0 引言

近年来，随着矿井煤炭开采强度的不断加大和服务年限将尽，资源面临枯竭矿井越来越多，提高煤炭资源的回收率已成为这些矿井可持续发展的重要问题。矿井遗留煤柱的开采回收是煤炭资源回收中的重要内容之一。王庄煤矿是潞安集团公司的主力生产矿井，开采时间较长，使用走向长壁开采工艺进行生产，原来的采区回采完毕后没有对煤柱时行回收，在已经回采区域内遗留了大量的保护巷道煤柱，根据矿井对未采煤柱的资源统计结果，井田内护巷煤柱储量超过1 700万吨。从煤柱的分布情况分析，遗留煤柱赋存比较稳定，煤层顶底板条件较好，问题是煤柱内的老空巷道分布较多，给回采煤柱带来一定困难，但煤质很好，具有很高的开采价值和收益期待。因此，针对王庄煤矿典型煤柱工作面实际情况，进行煤柱工作面上覆岩层破断规律分析，对指导王庄煤矿厚煤层煤柱工作面安全高效开采具有重要的现实意义，同时可为类似条件下煤柱工作面的安全高效开采提供借鉴和参考。

1 概况

王庄煤矿投产以来产量逐年提高，开采强度不断加大，可以按照采面设备能力和产量需要布置规范综采面的区域不断减少，遗留煤柱的回采是增加该矿服务年限的最好方法之一。43M1煤柱工作面位于43/2下山盘区，其东侧为下山南翼采区巷道及4320采空区，南侧为4328、4330、4332、4334采空区，西与6111采空区相邻，北为4326采空区。本采面开切眼长度为71.7m，采煤工作面推进长度为705.5 m，可采储量达45万吨，工作面风巷由43二下山南辅皮巷经过修理整治而成，长度为760 m；工作面运输平巷在4328、4330、4332、4334工作面停采线保护煤柱内，沿底板新掘，长度为749 m。

该采面主采煤层为3#煤层，位于二叠系山西组地层中下部，为陆相湖泊型沉积，埋深218～252 m，煤层平均厚度6.8 m，赋存稳定，煤层下部有一层夹矸，采面北部煤层较薄，南部较厚。全煤含夹矸厚度0.48 m，煤层倾角1°～5°，平均约3°，可采指数为1，变异系数8.42%。该煤属低磷、低硫、中灰、具粘性热量之优质动力用煤。工作面共有21条空巷，分别与工作面平行、斜交、立交布置，采面巷道布置如图1所示。

图1 采面巷道布置

2 煤柱工作面覆岩破断规律分析

此面为王庄煤矿回采的第一个煤柱工作面，没有工程实践可以参考，因此，采用理论计算的方法分析顶板的来压步距。在来压步距较大、开采边界复杂、工作面较长的情况下，一般采用“板”模型分析。老顶初次破断过程中，一般总是由长固支边上表面中部首先发生断裂，然后短固支边上表面中部发生断裂，采空区中央下表面沿长轴出现断裂，接着断裂线向四个对角线扩展成X形，然后四周边断裂线扩展沟通成“O”形，板发生破断，最终形成“O-X”形拱式平衡结构，如图2所示。

图2 老顶竖“O-X”型破断形式

通过理论分析，三边简支、一边固支，即俗称孤岛工作面条件下的板边界条件下老顶初次断裂步距公式为：

根据以上公式，计算工作面老顶来压步距。

3 岩层载荷计算

表1 煤柱工作面顶板岩层力学参数

根据43M1煤柱工作面煤层柱状图和岩层力学参数计算岩层载荷q。煤柱工作面顶板岩层力学参数如表1所示。

（1）第1层本身的载荷q1为:

式中：γ1—第1层顶板的体积力，取25 kN/m3；

h1—第1层顶板的厚度，取14.75 m。

（2）考虑第2层对第1层的作用() q21，则:

式中:E1—第1层顶板的弹性模量，取2.3×104 MPa；

E2—第2层顶板的弹性模量，取2.2×10 4MPa；

γ2—第2层顶板的体积力，取24k N/m3；

h2—第2层顶板的厚度，取1.4 m。

（3）计算到第3层，则第1层的载荷() q31为:

式中:E3—第3层顶板的弹性模量，取1.5×104 MPa；

γ3—第3层顶板的体积力，取26k N/m3；

h3—第3层顶板的厚度，取5.9 m。

（4）计算到第4层，则第1层的载荷() q41为:

式中:E4—第4层顶板的弹性模量，取1.1×104 MPa；

γ4—第4层顶板的体积力，取25 kN/m3；

h4—第4层顶板的厚度，取12.61 m。

（5）计算到第5层，则第1层的载荷() q51为:

式中:E5—第5层顶板的弹性模量，取1.1×104 MPa；

γ5—第5层顶板的体积力，取25 kN/m3；

h5—第5层顶板的厚度，取12.61 m。

由上述计算可知(q5)1＜(q4)1，则所计算的q值应为566 kPa。

4 采面老顶板断裂跨距计算

（1）采煤工作面一边固支、三边简支，称为孤岛采煤工作面的板边界条件下老顶初次断裂时顶板的步距准数lm：

式中：RT——老顶的抗拉强度，取3 MPa；

q——岩层自重及其上载荷，取566 kPa。

μ——岩层的泊松比，取0.2；

h——为老顶岩层厚度，取14.75 m。

（2）老顶初次来压步距

式中，b为作面长度，取71.7 m；因此，老顶初次断裂步距为41.78 m。

⑶老顶周期来压步距计算

5 采面顶板垮落实测分析

采面选择MGTY—250/600-1.1D型双滚筒采煤机割煤，根据理论分析结果，通过计算确定了采面液压支架的型号与技术参数，如表2所示。

表2 ZFS-6000/17/33型支架主要技术特征

为了掌握工作面顶板破断规律，给顶板管理及支护设计提供科学依据，煤柱工作面安装ZMB－60Ⅰ型综采支架测压观测系统，连续观测采面所有支架的工作阻力。采面支架的前、后立柱及平衡顶各安设一块表，对液压支架的初撑力和最大工作阻力进行观测。观测工作自采面开始生产至观测结束，采面的推进长度为205.9 m，期间共有14次来压。采面老顶来压步距统计如表3所示。

表3 煤柱工作面观测分析统计结果

支架工作阻力实测数据统计分析结果表明，老顶初次来压步距平均为41 m，周期来压步距平均达到19.6 m；初次来压期间平均动载系数达到1.44，工作面中部区域达到1.53，煤柱采面中部来压强度明显大于采面两端，工作面周期来压期间平均动载系数为达1.26。煤柱工作面支架平均工作阻力4 174 kN，其中来压期间支架平均工作阻力为4 495 kN，最大工作阻力达到5 498 kN；非来压期间支架平均工作阻力3 581 kN。

6 结语通过理论分析和采面实际观测，得出了该矿首个煤柱采面顶板破断规律，为设备选型提供了科学依据，保证业无煤可采的燃眉之急，并为类似条件的煤炭开采积累了成功经验，提供了科学依据。

[1]杜计平,孟宪锐.采矿学[M].江苏徐州:中国矿业大学出版社,2015.

[2]李海涛等.上分层煤柱群下工作面矿压显现规律及主控因素分析[J].煤矿安全,2014(6).

[3]李振华,戎涛,李化敏.煤柱工作面矿压显现规律分析[J].矿业安全与环保,2008(4).

Analysis on overlying rock breaking regular in working face with coal pillar

SONG Jie
(Longyu Coal Co.,Ltd.,Hongda Company of Datong Coal Mine Group,Datong Shanxi 037003,China)

In view of the actual situation of the typical working face with coal pillar in Wangzhuang coal mine,the equipment selection is guided by the theoretical analysis and calculation of overlying rock breaking regular in working face with coal pillar,and the existing tunnel and mine production system are made full use,the production replacement tension is relieved,and a beneficial science basis is provided for the safe and effective mining under the condition of the similar working face with coal pillar.

Working face with coal pillar;Rock breaking;Regular;Analysis

TD325

B

1000-4866(2016)06-0023-03

10.19413/j.cnki.14-1117.2016.06.006

2016-11-9

宋杰，男，1970年出生，山西天镇县人，工程师，中国矿业大学（北京）采矿工程专业毕业，现同煤集团宏大公司龙驭煤业从事煤矿技术管理工作。