采煤工藝對工作面圍巖控制的影響分析

閻 鵬

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 呂梁033602）

我國煤層儲量及產(chǎn)量均居世界前列，其厚煤層在我國煤炭儲量中占據(jù)50%左右。因此，厚煤層的開采技術(shù)將從很大程度上決定我國煤炭綜采工作面的開采能力。針對中厚煤層而言，可采用側(cè)采煤工藝包括有綜采、綜放開采以及大采高綜采。目前，鑒于大采高綜采工藝具有回采工藝簡單、煤炭回收率高等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于我省絕大數(shù)煤礦中。而且，隨著大采高綜采工藝的不斷成熟，國內(nèi)采煤工藝已從綜放開采轉(zhuǎn)向大采高綜采工藝[1]。在采煤工藝轉(zhuǎn)變過程中，由于兩種采煤工藝礦壓顯現(xiàn)規(guī)律以及支架載荷分布等差異較大，導(dǎo)致大采高工藝的應(yīng)用范圍還未達(dá)到預(yù)期。本文將著重分析綜放開采工藝和大采高綜采工藝對工作面圍巖控制特性的影響，為大采高綜采工藝的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 覆巖結(jié)構(gòu)特征對比

實(shí)踐表明，工作面地質(zhì)、水文條件相同的情況下，不同采煤工藝下工作面的圍巖特性區(qū)別很大。

1.1 大采高工作面覆巖平衡結(jié)構(gòu)研究

煤體開采出來后，工作面上方的直接頂垮落至采空區(qū)，導(dǎo)致直接頂上方的老頂也發(fā)生垮落至煤矸石的底層，最終形成一個(gè)相對平衡的巖板。由于基于大采高工藝一次采煤高度較高，導(dǎo)致其采空區(qū)所需直接頂?shù)暮穸纫搽S之增加，甚至老頂也隨著直接頂垮落，充當(dāng)直接頂?shù)慕巧玔2]?；诖蟛筛卟擅汗に嚨牟蓤鲂〗Y(jié)構(gòu)具有如下特征：

1）直接頂厚度與一次性采高成比例增加。當(dāng)采高大于4 m時(shí)，其直接頂厚度大于15 cm。隨著采高的增加，由于老頂失穩(wěn)的可能性增大導(dǎo)致直接頂增大。

2）老頂可能在較高層位形成“砌體梁”的結(jié)構(gòu)，從而對工作面液壓支架的局部壓力增大，該局部壓力周期性作用于液壓支架的局部位置。

3）直接頂垮落分布的角度一般在50°～80°之間。

1.2 綜放開采工藝工作面覆巖平衡結(jié)構(gòu)研究

綜放開采工藝所形成的采場主要結(jié)構(gòu)為大變形梁的形式。大變形梁形式覆巖機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性取決于頂煤的特性。頂煤作為傳遞直接頂、老頂壓力至液壓支架的中間介質(zhì)，其載荷傳遞取決于頂煤的承載極限。如果開采過程中頂煤已遭到破壞，則其不能夠承擔(dān)傳遞載荷的任務(wù)，此時(shí)工作面液壓支架不會受到老頂運(yùn)動的影響[3]。如果頂煤在開采中未遭到破壞，則工作面液壓支架所承受的載荷取決于頂煤的強(qiáng)度。

2 工作面來壓特征對比

經(jīng)對大采高采煤工藝和綜放開采工藝工作面來壓特征對比，情況具體如表1所示。

表1 不同采煤工藝工作面來壓特征

如表1所示，大采高采煤工藝和綜放開采工藝工作面的來壓特征具體分析如下：

1）大采高采煤工藝的直接頂初次垮落步距和老頂周期性垮落步距均大于綜放開采工藝的指標(biāo)。煤炭開采期間，在老頂未發(fā)生垮落時(shí)，直接頂?shù)某醮慰迓洳骄嗳Q于工作面的推進(jìn)速度和工作面液壓支架的初撐力[4]。不同的是，大采高采煤工藝液壓支架的初撐力能夠?qū)敯暹M(jìn)行有效控制，而采用綜放采煤工藝時(shí)常會由于初撐力不足而導(dǎo)致頂板下沉加速的事故發(fā)生。

2）大采高采煤工藝?yán)享敵醮慰迓洳骄嗯c綜放開采工藝的指標(biāo)。大采高采煤工藝對老頂初次垮落步距的影響不大，其主要決定性因素為對關(guān)鍵層的控制效果。

3）大采高采煤工藝?yán)享敵醮蝸韷狠^為強(qiáng)烈，而綜放采煤工藝?yán)享攣韷狠^為緩和。

3 支架載荷對比

本文對采用不同采煤工藝工作面液壓支架的載荷情況進(jìn)行對比。其中綜放開采工藝工作面所采用液壓支架為四柱式液壓支架，該液壓支架的額定工作阻力和額定初撐力分別為4 950 kN和3 958 kN；大采高采煤工藝工作面所采用的液壓支架類型為兩柱式，該液壓支架的額定工作阻力和額定初撐力分別為12 000 kN和7 917 kN。不同采煤工藝工作面液壓支架的載荷對比如表2所示。

表2 不同采煤工藝液壓支架載荷對比

大采高采煤工藝和綜放開采工藝工作面液壓支架載荷對比具體分析如下：

1）大采高采煤工藝工作面液壓支架的實(shí)測工作阻力和初撐力均遠(yuǎn)大于綜放采煤工藝工作面液壓支架的對應(yīng)指標(biāo)。

2）大采高采煤工藝液壓支架中部和兩端的載荷差值較小，而綜放開采工藝液壓支架中部和兩端的載荷差值較大，即說明綜放開采工藝液壓支架的載荷波動較大，導(dǎo)致液壓支架受力不平衡。

3）大采高采煤工藝液壓支架的柱比值接近于1，說明此工藝下液壓支架兩個(gè)支柱的受力相對均衡，穩(wěn)定性較好；而綜放開采工藝液壓支架的柱比值為1.3，說明此工藝下液壓支架的四個(gè)支柱受力不平衡，導(dǎo)致液壓支架的穩(wěn)定性較差。綜放采煤工藝液壓支架穩(wěn)定性較差的原因主要包括：液壓支架的初撐力偏低，頂煤破碎并液壓支架強(qiáng)漏空，導(dǎo)致液壓支架前面兩個(gè)支柱的載荷大于后面兩個(gè)支柱的載荷；緊接著放煤操作完成后，液壓支架后面兩個(gè)支護(hù)的載荷瞬間降低[5]。

大采高采煤工藝工作面直接頂?shù)暮穸容^大，具有較好的載荷傳遞性能，從而導(dǎo)致大采高采煤工藝工作面液壓支架的載荷較大；而綜放采煤工藝工作面直接頂?shù)拿簩?，其載荷傳遞性能較差，剛性較小，導(dǎo)致該采煤工藝下工作面液壓支架的載荷較小。

4 結(jié)語

綜采工作面的采煤效率除了與綜采設(shè)備的能力相關(guān)外，還與其所采用的采煤工藝相關(guān)。不同的采煤工藝對工作面圍巖的影響不同。因此，熟悉掌握不同采煤工藝直接影響工作面的圍巖特性，對采煤工藝的靈活應(yīng)用具有指導(dǎo)意義?，F(xiàn)正處于綜采開采工藝向大采高采煤工藝過渡的階段，通過對二者開采工藝下工作面圍巖特性分析，為大采高采煤工藝的進(jìn)一步推動應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。