長壁厚煤層開采圍巖控制的研究

韓文如

摘 要：有效的圍巖控制是實現(xiàn)煤礦井下安全開采的前提。本文針對LTCC和SPLL工作面開發(fā)了相應的圍巖系統(tǒng)?？紤]煤層剛度、頂板巖層和液壓支架的作用，提出了頂板結(jié)構(gòu)與長壁工作面同時平衡的條件。長壁工作面安全系數(shù)定義為煤壁面極限承載力與實際加在煤壁面上的荷載之比。分析了煤體強度、煤體剛度、頂板剛度、液壓支架剛度等因素對頂板結(jié)構(gòu)的影響以及頂板結(jié)構(gòu)的運動。最后，確定了控制長壁工作面穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，提高了長壁工作面和超細粒級聯(lián)工作面圍巖控制效果。

關(guān)鍵詞：長壁厚煤層;圍巖控制

1 背景

我國煤炭開采的集中度正逐步向西部地區(qū)轉(zhuǎn)移，新形成的礦區(qū)存在大量厚煤層。因此，與此類厚煤層開采相關(guān)的圍巖控制問題將成為地下開采相關(guān)研究的重點。我國厚煤層開采方法主要有單道大高度長壁開采法（SPLL）和長壁放頂煤開采法（LTCC）兩種。兩種方法均可達到一次全厚煤層開挖的目的。SPLL采礦得益于相關(guān)設(shè)備開發(fā)水平的提高。大型液壓支架和大功率采煤機，保證支架的保護高度和剪切煤的高度與煤的厚度一致。LTCC采礦得益于采礦技術(shù)優(yōu)勢。這種開采方法將厚煤層劃分為兩個亞層。長壁工作面一般安裝在底板，頂煤在采礦作業(yè)引起的支座應力作用下發(fā)生破壞，出現(xiàn)溶洞。因此，在輸送剪切煤的液壓支架前面有一個鏈式輸送機，在垮落頂煤的液壓支架尾部有一個鏈式輸送機。SPLL法和LTCC法都實現(xiàn)了厚煤層的一次回采[1-2]。

2 采場圍巖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型

實踐表明，屋內(nèi)墻壁加筋過程中經(jīng)常出現(xiàn)肋片剝落現(xiàn)象。這意味著屋頂之間有著密切的關(guān)系結(jié)構(gòu)及煤壁穩(wěn)定性。為了分析LTCC工作面和SPLL工作面常見的肋片剝落現(xiàn)象，有必要建立該類工作面圍巖系統(tǒng)模型。系統(tǒng)模型由頂板[3]、煤壁和液壓支架組成。根據(jù)彈性地基梁理論，頂板的破壞線位于煤層前壁，頂板破壞后形成voussoir梁結(jié)構(gòu)。平衡結(jié)構(gòu)作用于采空區(qū)的煤壁、支架和矸石上。LTCC面和SPLL面主要頂板破裂后形成的圍巖實際結(jié)構(gòu)如圖1a和圖1c所示。在頂煤工作面，采出的煤層厚度通常大于7 m。由于生產(chǎn)空間大，低層頂板巖層不能形成平衡結(jié)構(gòu)，周期性地以懸臂梁的形式斷裂。屋面較高的巖層形成了voussoir梁結(jié)構(gòu)。理論分析表明，懸臂結(jié)構(gòu)內(nèi)的硬巖層對煤壁和液壓支架的穩(wěn)定性影響最大。因此，在對放頂煤工作面圍巖穩(wěn)定性進行系統(tǒng)分析時，將形成懸臂結(jié)構(gòu)的堅硬巖層視為頂板。在大采高工作面，切割高度通常小于7米，生產(chǎn)空間相對較小。如果靠近煤層的頂板巖層中含有堅硬的巖石，破碎后可形成穩(wěn)定的voussoir梁結(jié)構(gòu)，作為頂板的主體。在兩種采場中，覆巖層破碎后，voussoir梁結(jié)構(gòu)的后鉸支點由采空區(qū)矸石支撐，前鉸支點由煤層圍巖和支護支撐，以保證頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

為了簡化，在下一節(jié)進行力學分析時，采用不同剛度的彈性彈簧代替長壁工作面前原煤、支架上方破頂煤、直接頂板、液壓支架提供的支護效果。如圖1b所示，在LTCC工作面中，代替長壁工作面前原煤作用的彈簧剛度記為ki，而長壁工作面后，煤剛度記為kb。液壓支架的剛度設(shè)為ks。在SPLL工作面，如圖1d所示，支架上方不存在頂煤?？紤]直接頂?shù)闹ёo作用，用剛度為K r的彈簧代替直接頂?shù)闹ёo作用來保持voussoir梁結(jié)構(gòu)的平衡。注意，在放頂煤采場，水力支架上方的頂煤裂隙發(fā)育充分。與長壁工作面前緣原煤相比，后緣的煤剛度和強度明顯降低。然而，在大采高采場，直接頂板在液壓支架上方保持相對完整。與工作面前直接頂板相比，長壁工作面后直接頂板的剛度和強度基本保持不變。此外，為了便于分析，考慮直接頂板的剛度和強度與LTCC工作面煤層的剛度和強度相同。

3 結(jié)論

①采礦作業(yè)引起煤壁上部頂板移動和應力集中，導致上肋剝落。下肋剝落是由于水平應力和底鼓引起的煤壁下部應力集中引起的。煤層中已有裂縫的分布對煤層破壞后落煤的大小和分布有顯著影響;②建立了LTCC工作面和SPLL工作面圍巖系統(tǒng)模式。本文采用能量法對LTCC工作面圍巖穩(wěn)定性進行了分析，基于voussoir梁理論對SPLL工作面穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)分析。得到了保持圍巖系統(tǒng)穩(wěn)定所需的煤壁支護力和液壓支護力。與常規(guī)長壁工作面相比，LTCC工作面橋臺峰值應力較小，但影響范圍較大。隨著開采高度的增加，SPLL工作面對應的峰值和影響范圍增大;③煤壁安全系數(shù)定義為煤壁極限承載力和作用于煤壁的實際頂板壓力。在LTCC工作面，提高煤壁強度、煤剛度和液壓支架剛度以及頂煤破壞程度都有利于提高煤壁的穩(wěn)定性。安全煤壁系數(shù)與煤體強度、支護剛度和頂板主砌塊在SPLL工作面旋轉(zhuǎn)程度成正比。

參考文獻：

[1]牛少抑.長壁開采三順槽圍巖控制理論技術(shù)研究[D].太原：太原理工大學，2011.

[2]張小強.厚煤層殘煤復采采場圍巖控制理論及其可采性評價研究[D].太原：太原理工大學，2015.

[3]佚名.厚煤層快速回采切頂卸壓無煤柱自成巷工程試驗[J].巖土力學，2018（1）：254-264.