大采高綜采工作面片幫機(jī)理及控制技術(shù)

牛海平+段軍

摘 要：本文以嘉樂(lè)泉煤礦8101大采高工作面為背景，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬的方法，對(duì)大采高煤壁邊幫機(jī)理進(jìn)行了分析，并對(duì)采高、支護(hù)強(qiáng)度、推進(jìn)速度對(duì)于大采高煤壁片幫的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并根據(jù)研究結(jié)果提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施進(jìn)一步增加煤壁穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：大采高；綜采工作面；煤壁片幫；支護(hù)強(qiáng)度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.078

隨著煤礦開(kāi)采設(shè)備的不斷發(fā)展，礦井規(guī)模的不斷擴(kuò)大，在各大礦區(qū)涌現(xiàn)處理一批大采高工作面，而且采高不斷增大，在神東礦區(qū)補(bǔ)連塔煤礦已經(jīng)建立了8m大采高工作面[1-2]。然而在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，工作面片幫嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。由于我國(guó)各大礦區(qū)煤層賦存條件存在著極大的差異，造成工作面片幫機(jī)理各不相同。本文以嘉樂(lè)泉煤礦8101淺埋深大采高工作面為背景，對(duì)工作面煤壁片幫機(jī)理及控制技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 工程概況

嘉樂(lè)泉煤礦隸屬于太原煤炭氣化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，礦井主采礦井主采煤層為8號(hào)、9號(hào)煤層，其中8號(hào)煤層厚度3～4.5m，平均4.3m。8101工作面為8號(hào)煤層一盤區(qū)首采工作面，采高4.3m，傾角1-3°。工作面長(zhǎng)度275m，推進(jìn)長(zhǎng)度為1865m，工作面選用ZY12000/35/55的液壓支架。煤層直接頂為泥巖，平均厚度為2.5m，基本頂為細(xì)砂巖，平均厚度為17.6m，直接底為泥巖，平均厚度5.2m。在實(shí)際回采過(guò)程中，煤壁嚴(yán)重片幫，由于煤壁片幫導(dǎo)致工作面梁端距增大，長(zhǎng)期以往極易造成工作面冒頂事故。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模型建立

本文采用UDEC數(shù)值模擬軟件，建立平面應(yīng)變模型，對(duì)大采高工作面片幫影響因素進(jìn)行了研究。根據(jù)工作面頂板不同的性質(zhì)劃分為不同的塊體，施加邊界條件，上部條件為自由邊界；兩側(cè)為位移和速度邊界條件，兩側(cè)水平位移、速度均為零；下部邊界條件為固支[3]。模擬不同支護(hù)強(qiáng)度、不同采高、不同推進(jìn)速度對(duì)于工作面煤壁片幫的影響。

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 采高對(duì)于煤壁片幫的影響

圖1為不同采高情況下煤壁前方水平應(yīng)力分布，由圖可以看出，隨著工作面的不斷回采，明顯看出工作面上覆基本頂發(fā)生了離層變形，導(dǎo)致在工作面煤壁前方形成了應(yīng)力集中，集中應(yīng)力影響范圍不斷向煤壁深處擴(kuò)展，采高4m時(shí)，煤壁前方水平應(yīng)力為10MPa，采高5m時(shí)煤壁前方水平應(yīng)力為14.7MPa，采高6m時(shí)，煤壁前方水平應(yīng)力達(dá)18.2MPa。隨采高的不斷增大，煤壁前方的水平應(yīng)力逐漸增大，煤壁的穩(wěn)定性勢(shì)必變差，導(dǎo)致嚴(yán)重片幫。

2.2.2 工作面推進(jìn)速度對(duì)煤壁片幫的影響

模擬過(guò)程中用運(yùn)算時(shí)步來(lái)模擬工作面推進(jìn)速度，有圖可以看出，隨著工作面推進(jìn)速度增加，工作面煤壁片幫深度及片幫面積都出現(xiàn)了不同程度的降低。且速度增加到一定程度時(shí)片幫變化不大。當(dāng)工作面推進(jìn)速度為6m/d時(shí)，片幫的最大深度為0.81m，最大片幫面積為1.12m，繼續(xù)增大推進(jìn)速度，對(duì)于片幫影響不大。因此選擇合理的工作面推進(jìn)速度對(duì)于控制煤壁片幫意義重大。

3 煤壁片幫控制技術(shù)

根據(jù)以上理論計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合嘉樂(lè)泉8101工作面實(shí)際情況，提出了以下具體控制措施：

（1）采高越大，工作面煤壁水平應(yīng)力越大，有效的控制工作面采高，及時(shí)打出護(hù)幫板進(jìn)行二次支護(hù)，可以有效防治煤壁片幫。

（2）工作面推進(jìn)速度對(duì)于煤壁片幫存在一定的影響，8101工作面推進(jìn)速度保持在6m/d時(shí)能有效的控制煤壁片幫，加快工作面推進(jìn)速度，避免了煤層長(zhǎng)時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)，收到頂板變形的影響，導(dǎo)致煤壁內(nèi)部集中應(yīng)力增加從而加劇煤壁片幫。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)，結(jié)合對(duì)于8101工作面實(shí)際情況，當(dāng)工作面支護(hù)強(qiáng)度等于或大于2MPa，推進(jìn)速度大于或等于6m/d，適當(dāng)降低工作面采高時(shí)，可以有效的防止煤壁片幫。

（2）針對(duì)理論分析及數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，提出了降低采高、增加推進(jìn)速度、合理運(yùn)用護(hù)幫板等措施來(lái)進(jìn)一步增加煤壁穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王家臣.極軟厚煤層煤壁片幫與防治機(jī)理[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32

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[3]閆少宏，尹希文.大采高綜放開(kāi)采幾個(gè)理論問(wèn)題的研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2008，33（5）：481-484.