大采高综采煤壁稳定性研究

胡广宇

(山西晋煤集团寺河矿,山西晋城 048000)

0 前言

我国煤炭储量丰富,厚煤层占全国煤炭储量的40%以上。厚煤层开采技术随着科技的不断进步而得到了大幅提升,大采高综采具有资源回收率高、煤尘少、瓦斯涌出量小等优点。厚煤层大采高综采的安全高效技术理论和成套装备的研究是我国煤炭工业发展的方向,为提升煤炭行业自主创新能力和核心竞争力奠定坚实基础[1]。

大采高工作面回采过程中煤壁的稳定性受煤体内原生节理裂隙及其扩展演化效应的很大影响[2]。此外,煤壁的稳定性还受到采动应力、顶板活动以及支架的控制作用等多种因素的影响,而煤壁的稳定性又会影响到工作面端面顶板及支架的稳定性等。因此对大采高煤壁稳定性的研究是具有十分重要的现实意义。

1 寺河矿工况

寺河矿东井区东六盘区6301大采高综采工作面,处于+338水平,如图1所示。开采3#煤层,工作面采高6.2 m,一次采全高。工作面在推进度0 m～252 m 之间,工作面存在冲刷变薄带,区域内煤层厚度0 m～4 m。煤层为近水平煤层,煤层倾角3°～9°,平均6°。工作面由西向东推进呈上山趋势回采工作面开采3#煤层以亮煤为主,含有夹矸,属稳定型煤层。煤的容重1.46 t/m3,煤层普氏硬度系数f=1～2。

图1 寺河矿综采工作面

根据巷道掘进、钻探及物探资料综合分析,该工作面存在坑透异常区、钻孔异常区和地质异常区。工作面进入异常区及附近回采将可能出现煤厚变薄及煤体松软、破碎、片帮、冒顶、局部或全断面割矸、瓦斯异常等现象。

工作面综采设备采用德国艾柯夫公司生产的双滚筒电牵引式SL500型采煤机,总装机功率1 875 kW,该采煤机装机功率大,可实现大采高工作面双向截割,生产能力大,远距离遥控操作,运行平稳,能够实现闭锁工作面刮板机功能。

支架选用金鼎煤机公司生产的二柱掩护式支架及其相配套的端头、过渡支架。该支架支护高度大,支撑能力强,采用EEP 液压支架电液控制系统可实现双向邻架、成组闭锁、启动顺序控制,另外也可实现手动控制。工作面支架布置：ZT12000/25/55 型端头架3 架(机头段),ZT12000/28/62 型端头架4 架(机尾段),ZG12000/28/62 型 过 渡 架4 架,ZY12000/28/62 型中 间架162架,共计173架。

2 煤壁稳定性理论分析

在采掘前,煤壁处在原岩应力状态,煤壁内的应力也处于一种相对稳定的状态；在采掘后,煤壁中原有的应力平衡受到采掘扰动的破坏,位于工作面前方的煤壁会产生应力集中,此时,弱结构面在应力作用于节理裂隙而形成,在送个过程中并形成新的节理裂隙[3]。当周期来压来临时,在节理裂隙贯通的地方的煤壁容易发生破坏。当顶板的压力达到一定程度是便会产生煤壁片帮会现象。

寺河矿工作面为6.2 m大采高工作面,其工作面前方煤壁受到压力而加剧煤体内部结构的破坏,随着工作面向前推进,大采高工作面由于开采空间大,覆岩离层产生自由空间大,护帮难度更大,从而导致煤壁片帮深度加剧。

根据Brady 节理煤体力学模型[4],由损伤力学的原理可知,含贯通节理裂隙的煤体可认为损伤体,引入损伤变量D,则节理煤体的弹性模量Ee为：

在受压条件下,含贯通节理裂隙煤体的轴向刚度k为：

式中：k为含单贯通节理裂隙煤体的等效弹性刚度,Bb、W、H分别为煤体模型的长、宽、高,E为为完整煤岩块的弹性模量。

工作面前方极限平衡区内的至煤壁距离为x处的支承压力σy为：

式中：N0为煤壁的支撑力,f为层面间的摩擦因数,φ为煤体的内摩擦角,M为工作面采高。

图2 煤壁支撑能力和采高关系图

通过对该力学模型分析可知：在大采高工作面条件下,采高对工作面前方极限平衡区内的支承压力分布影响较大[5]。超前支承压力峰值点至工作面的距离随采高的增加而逐渐增大,即极限平衡区的尺寸随采高的增大而增大；在极限平衡区内,采高越小超前支承压力越大。

大采高综采工作面煤壁片帮的深度B可由式(4)得到：

式中：l为断裂线至煤壁的距离,θ为煤壁基本顶的回转角。

由式(4)可知大采高工作面煤壁片帮深度B随基本顶回转角度θ的增大而逐渐增大。因为基本回转角的增大使得直接顶的下沉量增加,直接顶对工作面前方煤体的作用加剧,进而增加了煤壁的片帮深度。

3 寺河矿煤壁稳定性控制及预防措施

寺河矿工作面存在坑透异常区、钻孔异常区和地质异常区,1#坑透异常区：影响范围为推进度0 m～145 m 之间。坑透显示场强衰减值为-5～-20.该坑透异常为向斜轴部、正断层F6301-1(倾向330°,倾角约70°,落差0 m～2 m)和6301-1 冲刷变薄带共同影响区域。千米孔异常区为6301-1冲刷变薄带影响区域,受影响区域由13巷侧起逐渐向东北11巷侧延伸,冲刷带内煤厚平均为5 m厚,最薄处煤厚为4 m。为了使工作面能顺利通过这些异常区,提高煤壁的稳定性,使工作面不发生片帮冒顶,可采取一定的控制技术：

(1)提高工作面推进速度

当工作面推进速度较慢时,煤壁的应力状态改变,稳定性降低,提高工作面开采速度,可减少超前支撑压力对煤壁的影响,从而降低片帮的风险。同时采用综合机械化采煤工艺可降低煤层顶板破坏从而而保证煤壁的稳定性[6]。

(2)加强护帮装置的管理

根据工作面情况加强顶帮支护管理,采用追机带压移架(拉架滞后机组上滚筒两个架)降低顶板破碎风险,移架要做到少降、快拉、快升,支架必须升紧,保证初撑力达标。可通过提高水平推力及延长顶板及煤壁支护时间等方式最大程度的发挥护帮装置的作用。

(3)做好地质构造异常区的采高控制

综采一次采全高时,煤层厚度越大,越容易发生片帮冒顶事故。因此,当工作面顶底板条件不好或片帮严重时,要严格控制工作面每刀煤的工程质量,尤其是顶底板的坡度、平整度、溜子及支架直线度,严防支架倾倒,严防咬架。同时采取留顶煤沿底板推进,及时跟机移架护顶和推移刮板输送机。控制采高和减小采煤机截深可有效防治片帮冒顶,从而提高煤壁稳定性。

通过对煤壁稳定性机理分析研究,寺河矿针对工作面的复杂构造,采取了一系列的措施确保工作面的顺利通过。具体措施如下：

(1)工作面过断面时的措施。过断层前5 m～10 m,适当调整工作面伪斜度数(逐步调整机尾超前,机头相对落后),改变工作面方向,增大断层与工作面斜交度数,减少异常区域对工作面影响。从煤壁线往外50 m 采用5 m 板梁或π 型钢梁进行架棚维护,20 m 范围内为一梁四柱,20 m～50 m 为一梁两柱。同时在原有支护的基础上另增加1～2排单体柱进行加强支护或延长超前支护距离,并保证800 mm安全出口。

(2)工作面过地质构造异常区时的措施。根据顶板情况逐步控制好异常区影响区域采高,工作面沿煤层底板推进,推进过程中保证异常区与两侧正常区域顶底板平缓过渡。根据实际顶帮情况及时对工作面异常区及两顺槽巷道内疏软的煤体进行注浆加固,严防大范围片帮冒顶事故的发生。严格控制工作面每刀煤的工程质量,尤其是顶底板的坡度、平整度、溜子及支架直线度,严防支架倾倒,严防咬架。工作面采用追机拉架(拉架滞后机组上滚筒两个架)的方法推进,移架要做到少降、快拉、快升,支架必须升紧,保证初撑力达标,不小于24 MPa

(3)异常区割软煤的措施。割煤过程中采煤机滚筒要升够高,割过煤后工作面要保证煤壁平直,无伞檐(伞檐长度超过1 m的,最突出部分不超过200 mm；长度在1 m 以下的,最突出部分不超过250 mm)。顶底板平直,如有特殊需要,调整时每循环顶底板与上一个循环顶底板错差不能超过±100 mm,防止出现台阶,同时保证支架顶梁必须接顶严实。坚持追机拉架,必要时割一架机组停下来拉一架。在该段收护帮板时,根据煤体情况掌握好收回护帮板的角度,必须确保机组上滚筒能够顺利通过,不割护帮板,尽可能利用护帮板护住疏松的煤帮,边收边护,防止出现大的片帮。

4 结论

寺河矿在工作面推进的过程中,针对工作面存在坑透异常区、钻孔异常区和地质异常区,分别采取有效的措施,顺利地通过W1305、W1307及6301工作面,既保证了工作进度,又保证了煤壁的稳定性,无片帮冒顶事件的发生。

煤矿安全管理在煤矿生产中十分重要,而大采高综采煤壁稳定性在煤矿安全生产中占有举足轻重的地位,因此对大采高综采煤壁稳定性的分析研究具有重要现实意义。