大傾角厚煤層錯(cuò)層位巷道布置支架穩(wěn)定性控制技術(shù)

毛金峰，王 鵬,2，楊長(zhǎng)德，李金波

（1.新疆工程學(xué)院 礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院，新疆 烏魯木齊830091；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京100083）

新疆大傾角厚煤層分布廣泛，3.5～8 m 厚、35°～50°傾角煤層約占新疆大傾角煤田儲(chǔ)量的40%以上，主要集中在烏魯木齊、阜康、溫宿和拜城等礦區(qū)，目前涉及礦井在66 對(duì)以上[1]。隨著新疆大傾角煤層的開(kāi)采強(qiáng)度的不斷增大，支架下滑、傾倒等問(wèn)題較為普遍，解決大傾角煤層開(kāi)采中支架下滑等問(wèn)題，對(duì)實(shí)現(xiàn)大傾角煤層安全高效開(kāi)采具有重要的意義。近20 年以來(lái)，許多學(xué)者對(duì)大傾角煤層工作面安全防護(hù)理論與體系從多角度進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，伍永平[2-4]認(rèn)為大傾角煤層頂板運(yùn)動(dòng)是影響“R-S-F”系統(tǒng)穩(wěn)定的主導(dǎo)因素。解盤石等[5]認(rèn)為高位梯階巖層破壞對(duì)支架的穩(wěn)定性有明顯影響。王國(guó)法等[6]提出了液壓支架傾覆力矩平衡的三維支護(hù)原理，得到了大傾角工作面液壓支架保持穩(wěn)定的基本條件，楊科等[7]提出了鋪金屬網(wǎng)帶壓擦頂追機(jī)移架防治支架失穩(wěn)的方法。贠東風(fēng)[8]、楊偉[9]、趙麒麟等[10]、李文樹(shù)[11]等采用了偽斜工作面布置解決大傾角煤層設(shè)備下滑及支架傾倒等問(wèn)題。以上學(xué)者以傳統(tǒng)工作面巷道布置方式，即工作面兩巷沿煤層底板布置為研究基礎(chǔ)，從支架自身及頂板對(duì)支架穩(wěn)定性的影響等方面做了大量的研究工作，對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐具有一定意義，但并未考慮通過(guò)優(yōu)化巷道布置方式解決支架下滑問(wèn)題?！昂衩簩渝e(cuò)層位巷道布置采全厚采煤法”是趙景禮1998 年以近水平厚煤層為模型提出的1 種采煤方法[12-13]，在華豐礦[14]的應(yīng)用解決了沿空巷道沖擊地壓?jiǎn)栴}，在王家山礦[15]、唐山礦[16]的應(yīng)用解決了大傾角煤層設(shè)備下滑問(wèn)題，但是只闡述了起坡段對(duì)支架穩(wěn)定性的影響，并未給出工作面傾角與支架失穩(wěn)下滑關(guān)系的必要條件。錯(cuò)層位巷道布置在新疆尚未有應(yīng)用案例，以新疆蘇杭河礦為例，應(yīng)用錯(cuò)層位巷道布置分析起坡段支架受力特征，研究支架失穩(wěn)下滑的必要條件，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用為新疆大傾角煤層安全科學(xué)開(kāi)采提供一定的理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 工程概況及開(kāi)采技術(shù)難題

Ⅳ14煤層是蘇杭河礦的主采煤層，煤層傾角為32°～41°，平均36°，煤層厚度一般在5.23～5.49 m，平均厚度5.4 m。煤的硬度（上部硬，下部軟，中間有300～400 mm 的泥巖夾矸）為：上部f=2～2.5，下部f≈1。地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，單斜構(gòu)造，產(chǎn)狀穩(wěn)定的特點(diǎn)。蘇杭河礦為解決大傾角工作面設(shè)備下滑問(wèn)題，前期采用了偽仰斜工作面布置方式。

運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷采用傳統(tǒng)巷道布置方式，沿煤層底板布置，工作面下部超前工作面上部10.8 m 推進(jìn)，設(shè)備下滑控制效果甚微，且在開(kāi)采過(guò)程中遇到以下技術(shù)難題：

1）支架與煤壁鋸齒狀接觸，護(hù)幫板與煤壁接觸不充分，夾層下部煤層偏軟，煤壁片幫。

2）工作面雙巷沿煤層底板布置，煤層下部堅(jiān)固性系數(shù)f≈1，煤質(zhì)軟，且巷道上方為軟弱煤體，受工作面開(kāi)采擾動(dòng)影響，巷道易變形且維護(hù)困難大。

3）生產(chǎn)過(guò)程中煤（矸）沿工作面向下滾落，易造成人員傷亡和設(shè)備損害。

偽仰斜工作面巷道布置如圖1。

圖1 偽仰斜工作面巷道布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of roadway layout of pseudo-oblique working face

2 大傾角厚煤層錯(cuò)層位巷道布置關(guān)鍵技術(shù)

2.1 工作面設(shè)計(jì)

為解決蘇杭河礦大傾角Ⅳ14厚煤層24201 工作面設(shè)備下滑、飛矸等問(wèn)題，經(jīng)過(guò)技術(shù)論證，改用錯(cuò)層位巷道布置綜放開(kāi)采技術(shù)。沿煤層頂板布置半煤巖運(yùn)輸平巷，沿煤層底板掘進(jìn)回風(fēng)平巷，大傾角錯(cuò)層位巷道布置如圖2。

圖2 大傾角錯(cuò)層位巷道布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of roadway layout with large dip angle

錯(cuò)層位巷道布置方式中一顯著特點(diǎn)是工作面存在一起坡段，根據(jù)工作面實(shí)際條件，在起坡段可以逐漸減小液壓支架及刮板輸送機(jī)傾斜角度，甚至擺平，起坡段示意圖如圖3。

圖3 起坡段示意圖Fig.3 Schematic diagram of slope-starting section

2.2 起坡段設(shè)計(jì)及對(duì)設(shè)備防滑作用

工作面起坡段通過(guò)設(shè)備擺平可以增大支架與頂?shù)装彘g摩擦力，增大刮板輸送機(jī)與底板間摩擦力，同時(shí)降低設(shè)備沿工作面傾斜方向的重力分量，從而通過(guò)起坡段設(shè)備增大對(duì)中上部設(shè)備的反作用力，起到降低工作面設(shè)備下滑及防倒的作用，建立起坡段支架穩(wěn)定性力學(xué)模型[17]，支架受力分析如圖4。

圖4 支架力學(xué)模型Fig.4 Mechanical model of support

以單個(gè)支架為例，支架自身重力G，支架頂梁受均布載荷q，相鄰支架反作用力Fu、Fd，支架受頂?shù)装迥Σ亮ζ涫艿降哪Σ亮镕1、F2，B 為支架寬度，θ為起坡段傾角，支架受力處于平衡狀態(tài)，滿足下列關(guān)系表達(dá)式。

當(dāng)支架接頂后可保持自身穩(wěn)定，假設(shè)不受Fu、Fd作用，簡(jiǎn)化式（1）可得工作面傾角與支架穩(wěn)定不下滑的必要條件，如式（2）：

式（2）中，在支架頂梁受力q 不變的情況下，G、f、B、θ 為常量，θ 為唯一變量，滿足線性關(guān)系。實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中24201 工作面從半煤巖運(yùn)輸平巷開(kāi)始逐漸起坡，每節(jié)刮板輸送機(jī)和液壓支架抬升3°，直至第11 架沿煤層底板抬升至36°，f 取值0.5，得到的支架下滑趨勢(shì)如圖5。當(dāng)采用傳統(tǒng)巷道布置方式時(shí)，工作面傾角36°，支架下滑趨勢(shì)大。當(dāng)采用錯(cuò)層位巷道布置時(shí)，隨著起坡段角度θ 逐漸減小，支架下滑趨勢(shì)呈遞減趨勢(shì)，支架穩(wěn)定性增大。

另外，從式（2）可以發(fā)現(xiàn)，支架下滑穩(wěn)定性還與q 相關(guān)，支架不同工作狀態(tài)q 大小不同，但q 越大，支架穩(wěn)定性越高，而q 最小時(shí)，為支架易下滑狀態(tài)，因此，支架卸壓移架時(shí)q 最小，支架最易下滑，因此，現(xiàn)場(chǎng)可采取支架帶壓擦頂移架的方式，同時(shí)，移架后保證初撐力，可有效增強(qiáng)支架穩(wěn)定性。

圖5 支架下滑趨勢(shì)示意圖Fig.5 Schematic diagram of support sliding trend

2.3 工作面設(shè)備防倒防滑措施

通過(guò)優(yōu)化工作面巷道布置位置，將工作面下部逐漸變平，很大程度的解決了工作面設(shè)備下滑問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步滿足安全生產(chǎn)，對(duì)支架采取防倒防滑措施，上端頭液壓支架防倒連接如圖5，上端頭液壓支架防滑連接如圖6。

圖5 上端頭液壓支架防滑連接Fig.5 Reverse connection of upper end hydraulic support

圖6 上端頭液壓支架防滑連接Fig.6 Non-slip connection of upper end hydraulic support

3 采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

為了分析大傾角煤層錯(cuò)層位巷道布置工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬研究。數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性取決于模型建立、本構(gòu)模型選擇和巖體參數(shù)選取等。因此，采用ANSYS 內(nèi)置建模建立模型，建模采用隨機(jī)網(wǎng)格，避免網(wǎng)格生成人為設(shè)定的影響，模型尺寸為240 m（長(zhǎng)）×100 m（寬）×160 m（高）。模型上方按至地表巖體的自重施加垂直方向的荷載，265 m×0.025 MN/m3=6.63 MPa 豎直向下的壓力加載于模型頂部模擬未建覆巖重量。模型底部約束橫向和縱向位移，前后左右約束橫向位移。模擬工作面長(zhǎng)150 m，推進(jìn)長(zhǎng)度100 m。煤巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata

3.2 模擬結(jié)果

工作面應(yīng)力分布與塑性區(qū)如圖7。圖7（a）顯示大傾角煤層開(kāi)采過(guò)程中，頂?shù)装逯谐霈F(xiàn)應(yīng)力釋放帶，采空區(qū)兩側(cè)實(shí)體煤層中出現(xiàn)深藍(lán)色應(yīng)力集中帶，下端頭煤壁應(yīng)力集中范圍大于上端頭煤壁。沿工作面傾斜方向，煤層上方巖層出現(xiàn)明顯的非對(duì)稱應(yīng)力釋放區(qū)，中上部區(qū)域應(yīng)力釋放范圍大于下部，下部區(qū)域頂板應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變。結(jié)合相關(guān)研究[5]，應(yīng)力釋放區(qū)實(shí)際是由巖層破斷處產(chǎn)生，對(duì)應(yīng)圖7（b）中巖層垮落線，垮落線下方巖層表現(xiàn)為大范圍的拉伸破壞，證明垮落帶上方巖層沿垮落線方向發(fā)生拉伸斷裂，且垮落帶呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱性，垮落范圍上部＞中部＞下部；對(duì)應(yīng)圖7（a）可發(fā)現(xiàn)相應(yīng)在巖層垮落線邊緣附近產(chǎn)生低應(yīng)力區(qū)。

圖7 工作面應(yīng)力分布與塑性區(qū)Fig.7 Stress distribution and plastic zone of working face

4 支架適應(yīng)性

4.1 工作面支架監(jiān)測(cè)方案

為了準(zhǔn)確掌握大傾角厚煤層錯(cuò)層位巷道布置綜放工作面支架受力情況及運(yùn)行狀態(tài)，沿傾斜方向布置3 個(gè)測(cè)區(qū)，測(cè)區(qū)Ⅰ（起坡段）以6#、7#、8#為觀測(cè)支架；測(cè)區(qū)Ⅱ?yàn)?0#、41#、42#支架；測(cè)區(qū)Ⅲ為65#、66#支架，工作面礦壓觀測(cè)液壓支架測(cè)點(diǎn)布置如圖8。

圖8 工作面礦壓觀測(cè)液壓支架測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.8 Schematic diagram of measuring points arrangement of hydraulic support for mine pressure observation on working face

4.2 工作面來(lái)壓規(guī)律

工作面支架設(shè)計(jì)初撐力為24 MPa，截止2017年11 月15 日，工作面已平均推進(jìn)159.6 m。工作面不同回采階段初撐力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9。

圖9 40#支架初撐力與循環(huán)數(shù)關(guān)系Fig.9 Relationship between initial support and number of cycles

由圖9 可知，初撐力46%達(dá)到24 MPa，設(shè)計(jì)初撐力利用率低。根據(jù)式（2）單個(gè)支架穩(wěn)定性條件可知，初撐力直接關(guān)系到大傾角工作面支架的穩(wěn)定性，因此，為保證工作面的安全生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)加強(qiáng)支架初撐力的管理。

對(duì)工作面支架末阻力監(jiān)測(cè)，分析初次來(lái)壓階段、周期來(lái)壓階段礦壓顯現(xiàn)特征工作面頂板來(lái)壓規(guī)律見(jiàn)表2。

由表2 可知，工作面初次來(lái)壓階段，工作面上、中、下部來(lái)壓步距明顯不同且來(lái)壓強(qiáng)度也有差異，上部、中部、下部來(lái)壓步距分別29.4、34.7、40.2 m，具有分段來(lái)壓的特點(diǎn)，按照上部基本頂首先破斷，然后中部，最后下部破斷的順序，呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱性。上、中、下部來(lái)壓強(qiáng)度不同，基本呈現(xiàn)中部＞上部＞下部的特點(diǎn)。隨著工作面推進(jìn)，周期來(lái)壓階段，工作面上、中、下部來(lái)壓步距分別14.2、16.1、15.3 m，同樣呈現(xiàn)非對(duì)稱性，但相較于初次來(lái)壓步距，周期來(lái)壓步距非對(duì)稱性不明顯。工作面來(lái)壓期間的動(dòng)載系數(shù)整體呈現(xiàn)中部＞上部＞下部的特征，且工作面中部來(lái)壓最強(qiáng)烈，動(dòng)載系數(shù)為1.66，ZQY6000-19/42 型支架能夠滿足頂板控制的要求，滿足安全生產(chǎn)的需要。

表2 工作面頂板來(lái)壓規(guī)律Table 2 Pressure law of working face roof

5 結(jié) 論

1）優(yōu)化了蘇杭河礦大傾角工作面巷道布置方式，采用了錯(cuò)層位巷道布置綜放開(kāi)采技術(shù)。通過(guò)建立單個(gè)支架穩(wěn)定性力學(xué)模型，得到了支架穩(wěn)定性條件，通過(guò)起坡段角度的減小和提高初撐力，可提高支架穩(wěn)定性。分析認(rèn)為錯(cuò)層位巷道布置起坡段支架穩(wěn)定性明顯提高，對(duì)控制設(shè)備下滑具有重要作用。

2）通過(guò)數(shù)值模擬分析，大傾角錯(cuò)層位巷道布置工作面頂板應(yīng)力釋放區(qū)與拉伸破壞區(qū)呈非對(duì)稱分布，并且拉伸破壞區(qū)域垮落線相對(duì)應(yīng)。

3）現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)顯示，工作面初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距都呈現(xiàn)非對(duì)稱性，但初次來(lái)壓更明顯。工作面中部礦壓顯現(xiàn)最強(qiáng)烈，動(dòng)載系數(shù)1.66，上部次之，下部相對(duì)平緩。