近距離厚煤層綜采工作面安全開采技術(shù)研究?

付 凈年 軍2

（1.吉林化工學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院，吉林省吉林市，132022；2.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧省沈陽市，113122）

近距離厚煤層綜采工作面安全開采技術(shù)研究?

付 凈1年 軍2

（1.吉林化工學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院，吉林省吉林市，132022；2.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧省沈陽市，113122）

為了對木瓜礦近距離煤層下采場礦壓規(guī)律進(jìn)行研究，對木瓜礦10-209綜采工作面進(jìn)行了礦壓監(jiān)測，結(jié)合FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，得出近距離煤層下10-209綜采工作面礦壓規(guī)律；提出采煤工作面安全開采的措施及設(shè)備選型。實踐表明，通過工作面礦壓、煤壁片幫監(jiān)測與FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)的有效結(jié)合，能夠模擬采場礦壓的真實情況。

近距離煤層 綜采工作面 圍巖應(yīng)力 礦壓顯現(xiàn) 壓力分布規(guī)律

以具有近距離厚煤層典型條件的山西霍州煤電集團(tuán)木瓜煤礦10-209綜采工作面為例，通過礦壓監(jiān)測、FLAC3D數(shù)值模擬和煤壁片幫監(jiān)測手段，對近距離厚煤層條件的安全開采進(jìn)行研究，為相似條件下煤壁片幫控制及工作面設(shè)備選型提供理論依據(jù)。

1　工作面概況

10-209工作面開采10#煤層，工作面位于9 -101、9-201、9-205采空區(qū)下部，其東翼為輔助運輸巷，北側(cè)為10-208采空區(qū)。10-209工作面所在煤層厚度平均為3.5 m。該工作面直接頂為泥巖，厚度為0.2～2.1 m；老頂為細(xì)粒砂巖，厚度1.6～9.13 m；直接底為泥巖，厚度3.3 m；老底為粉砂巖，厚度為2.3 m。工作面傾向長度為939 m，走向長度為200 m，煤層傾角為5°～10°，采用傾斜長臂采煤方法開采。

2　工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

2.1 觀測方案

為研究10-209工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，在工作面的5架支架上設(shè)置工作阻力監(jiān)測站，分別布設(shè)在工作面12#、34#、56#、68#及82#支架上，在礦壓監(jiān)測時間段內(nèi)，每個測站分別在支架左右立柱高壓腔安裝1臺支架工作阻力測力儀，編號分別為1、2、3、4、5，測力儀能顯示和記錄支架左右立柱工作壓力。測區(qū)布置及儀器布設(shè)如圖1所示，箭頭方向為推進(jìn)方向。

圖1　工作面測區(qū)布置及儀器布設(shè)示意圖

全部觀測工作在工作面推進(jìn)約85 m內(nèi)完成，包含約6個老頂周期來壓的頂板運動階段?，F(xiàn)場觀測時間為2015年5月5日-5月21日，共計17 d，達(dá)到了觀測目的和要求。

2.2 支架阻力顯現(xiàn)規(guī)律

10-209工作面監(jiān)測站頂板來壓時各支架實測工作阻力變化見表1，數(shù)據(jù)顯示來壓前和來壓時支架的平均工作阻力分別為6283 k N和7175 k N，平均動載系數(shù)為1.14，綜采工作面來壓周期較明顯。通過數(shù)據(jù)顯示，所測試支架動載系數(shù)為1.10～1.25，動載均勻。來壓前和來壓時的范圍分別是4127～7225 k N和5471～7854 k N，說明支架工作阻力分布比較均勻。

2.3 礦壓顯現(xiàn)模擬

2.3.1 幾何模型建立

為了更好地反映木瓜煤礦10-209工作面礦壓規(guī)律，通過FLAC3D軟件進(jìn)行動態(tài)回采三維數(shù)值模擬，幾何模型根據(jù)工作面實際布置情況構(gòu)建，其模型尺寸為500 m×200 m×100 m（長×寬×高），構(gòu)建模型參數(shù)為煤層厚度3.5 m，底板厚度4 m，砂巖頂板厚度6.88 m，2條回采巷道。模型側(cè)面和底面為位移邊界，側(cè)面限制水平位移，底部限制豎向位移，模型上邊界模擬地表為位移自由邊界。計算所采用的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表1　10-209工作面監(jiān)測站支架頂板來壓時工作阻力變化

表2　工作面物理力學(xué)參數(shù)

2.3.2 工作面礦壓數(shù)值模擬分析

通過FLAC3D軟件對10-209工作面的應(yīng)力分布進(jìn)行數(shù)值模擬。分別對10-209工作面推進(jìn)方向前10 m、前20 m、后10 m及后20 m的垂直應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬，并且模擬了工作面走向剖面工作面的集中應(yīng)力。

模擬結(jié)果表明工作面推進(jìn)方向后10 m與后20 m頂板應(yīng)力相差不大，范圍在2 MPa以下；工作面推進(jìn)方向前10 m處為應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力達(dá)到12 MPa，工作面推進(jìn)方向前20 m處應(yīng)力值減少為9 MPa左右。

由于10-209工作面位于9-101、9-201、9 -205采空區(qū)下部，10-209回采工作面所在10#煤層與9#煤層層間距為2.84～13 m，最小為2.84 m。9#煤層開采以后，采空區(qū)殘留煤柱產(chǎn)生的集中壓力在10#煤層開采圍巖形成復(fù)雜的應(yīng)力場，對下煤層工作面巷道布置和支護(hù)方式有很大影響，同時也會造成10#煤層工作面頂板管理困難，礦壓顯現(xiàn)異常，嚴(yán)重的可能引發(fā)上煤層采空區(qū)內(nèi)水、沙、瓦斯等涌入下煤層工作面，造成突水、瓦斯瞬間超限等問題。通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實際情況分析，10-209工作面在推進(jìn)過程中，受上部基本頂鉸接平衡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和本煤層基本頂達(dá)到抗拉極限發(fā)生周期性斷裂的雙重影響，造成工作面局部應(yīng)力集中程度高，局部頂板冒落頻繁。上部基本頂失穩(wěn)來壓影響程度主要由基本頂與煤層間距離決定，基本頂與開采煤層距離增加，上部關(guān)鍵層失穩(wěn)對工作面來壓影響程度會逐步減弱。通過模擬可知，在上部采空區(qū)與10-209工作面層間距最薄區(qū)域，垂直應(yīng)力集中在10-209工作面中部，說明工作面中部頂板巖石冒落充分，工作面推進(jìn)一定距離，工作面后方采空區(qū)上覆巖層逐漸下沉壓實，支承應(yīng)力分布形態(tài)呈拱形。

在工作面推進(jìn)方向前方10～20 m處，應(yīng)力分布形態(tài)成拱形結(jié)構(gòu)，頂板內(nèi)部圍巖應(yīng)力較大，開采過程中易產(chǎn)生變形甚至?xí)l(fā)生部分破碎情況。經(jīng)模擬可知，該工作面頂板應(yīng)力集中區(qū)為工作面推進(jìn)方向前方5～12 m范圍內(nèi)，應(yīng)力峰值在工作面前方6 m處附近，達(dá)到14 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.57。

應(yīng)用FLAC3D軟件對10-209工作面巖體塑性區(qū)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示由于受上部采空區(qū)和周圍巷道的影響，10-209工作面在開采進(jìn)行約10 m時，直接頂便產(chǎn)生較大范圍的塑性區(qū)（塑性區(qū)是指發(fā)生塑性變形即屈服的區(qū)域），應(yīng)力釋放明顯，說明發(fā)生垮落現(xiàn)象；隨著不斷開采，塑性區(qū)不斷擴(kuò)大，開采至24 m時塑性區(qū)貫通老頂，應(yīng)力釋放完全，大部分老頂巖石初次垮落，至35 m時老頂?shù)诙慰迓?，通過數(shù)值模擬分析判斷老頂初次垮落步距為24 m，其周期來壓步距為11 m。

3　煤壁片幫監(jiān)測與分析

為了更好地反映10-209工作面礦壓情況，對其工作面煤壁片幫情況進(jìn)行監(jiān)測，工作面推進(jìn)過程中，片幫現(xiàn)象時有發(fā)生，尤其是在工作面來壓期間，煤壁片幫明顯多于平時。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示工作面的中上部是煤壁片幫主要區(qū)域，與采高、頂板來壓影響有關(guān)。

通過對礦壓顯現(xiàn)規(guī)律監(jiān)測、FLAC3D軟件模擬及煤壁片幫監(jiān)測，分析出10-209工作面煤壁片幫主要原因：

（1）由于10-209工作面為厚煤層開采，采高較大，導(dǎo)致推至煤巖松軟帶和斷層影響帶時，受構(gòu)造應(yīng)力影響煤巖體破壞較嚴(yán)重，進(jìn)而發(fā)生煤壁片幫。

（2）由于是近距離煤層開采，當(dāng)工作面推進(jìn)后，上覆巖層斷裂運動使圍巖內(nèi)應(yīng)力重新分布，當(dāng)前方支承壓力增大時，煤壁片幫深度也就越深，同時片幫深度隨著采高的增大而加深。

（3）煤壁暴露時間延長也會導(dǎo)致煤壁片幫深度增大，尤其是停產(chǎn)時比生產(chǎn)時要高數(shù)倍。

（4）工作面煤壁片幫與頂板來壓有關(guān)。無論是初次來壓還是周期來壓，都會引起煤壁片幫的加深，這是因為頂板來壓前，煤巖體中應(yīng)力集中程度達(dá)到最高，在高集中應(yīng)力的作用下，煤壁迅速發(fā)生塑性變形直至破壞。

4　安全開采控制措施與設(shè)備選型

近距離厚煤層工作面開采最突出的安全問題就是工作面煤壁片幫問題，因為大采高工作面煤壁片幫比相同地質(zhì)條件下采高較小時要嚴(yán)重的多，因此防止工作面煤壁片幫對大采高工作面有重要的意義。

4.1 煤壁片幫的控制措施

根據(jù)木瓜煤礦煤層特點，對10-209工作面采取煤壁片幫控制措施。

（1）通過數(shù)值模擬技術(shù)判斷煤巖破碎帶和來壓周期，根據(jù)來壓周期適當(dāng)加固煤壁，提高其整體強(qiáng)度。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境適當(dāng)選用木錨桿錨固煤壁或化學(xué)固化方法加固煤巖等方法。

（2）提高液壓支架的初撐力和工作阻力，以便維護(hù)頂板的完整性和提高自承能力，避免因冒頂而發(fā)生煤壁片幫現(xiàn)象。

（3）加快工作面推進(jìn)速度，以減少煤壁暴露時間。并可對頂梁端部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，加裝防片幫板。使用護(hù)幫板并靠緊煤壁，減少煤壁片幫。

4.2 安全開采設(shè)備選型

通過數(shù)據(jù)監(jiān)測及數(shù)值模擬分析，并對10-209工作面工藝裝備進(jìn)行了分析及計算，得出采煤機(jī)裝機(jī)功率為1049 k W，刮板輸送機(jī)生產(chǎn)能力為1630 t/h，電動機(jī)功率為1942 k W，液壓支架阻力為6977～8036 k N。

當(dāng)前10-209工作面主要使用的設(shè)備見表3。將10-209工作面承載能力的計算數(shù)據(jù)與現(xiàn)有設(shè)備能力對比可知，目前10-209工作面所用的綜采設(shè)備如采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)，轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、可伸縮帶式輸送機(jī)、乳化液泵站無論是從生產(chǎn)能力，還是功率，都可以滿足10-209工作面的安全開采。

表3　工作面主要設(shè)備一覽表

5　結(jié)論

（1）通過對10-209工作面進(jìn)行礦壓監(jiān)測，得到了工作面頂板運動規(guī)律及其礦壓顯現(xiàn)特點。得出工作面老頂周期來壓步距13.2～16.1 m，平均14.35 m；工作面頂板屬中等穩(wěn)定頂板。

（2）分析了10-209工作面煤壁片幫因素，根據(jù)近距離煤層開采支承壓力特點，提出加強(qiáng)煤壁、改進(jìn)頂梁技術(shù)等措施。對10-209工作面現(xiàn)有工藝裝備進(jìn)行了分析及驗算，得出現(xiàn)有設(shè)備完全能夠滿足安全開采的需要。

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（責(zé)任編輯 張毅玲）

Study on safety mining technology for fully mechanized faces in close and thick coal seams

Fu Jing1，Nian Jun2
（1.Jilin Institute of Chemical Technology，School of Resources and Environmental Engineering，Jilin，Jilin 132022，China；2.CCTEG Shenyang Research Institute，Shenyang，Liaoning 113122，China）

In order to study the strata behavior regularity of lower mining stope in close coal seams of Mugua Mine，the mine pressures of 10-209 fully mechanized face in Mugua Mine were monitored，and combined with numerical simulation by FLAC3D software，the strata behaviors regularity of lower 10-209 fully mechanized face in close coal seams was achieved；meanwhile the measures and equipment selection for safety mining in mining face were put forward.The practice showed that the combination of mine pressures and rib spalling monitoring and FLAC3D numerical simulation technology could simulate the actual circumstances of the mining stope pressure.

close coal seams，fully mechanized face，surrounding rock stress，strata behaviors，pressure distribution regularity

TD823

A

遼寧省自然科學(xué)基金面上項目（2015020605）

付凈（1984-），女，吉林省吉林市人，講師，碩士，2009年畢業(yè)于東北大學(xué)，主要從事安全工程技術(shù)、安全監(jiān)測與評價方面的研究。