大采長傾斜煤層工作面礦壓分析及煤壁片幫控制技術(shù)研究

楊黨委

(1.平煤股份十礦,河南 平頂山 467000; 2.煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 平頂山 467000; 3.平頂山學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院,河南 平頂山 467000)

近年來,平頂山礦區(qū)所屬礦井開采煤層逐漸由二水平向埋深更大的三水平延伸,其中東部礦區(qū)三水平埋深普遍超過800 m,隨之為采煤工作面帶來地質(zhì)條件惡化、圍巖裂隙發(fā)育、地應(yīng)力增加等一系列問題,特別是部分煤層賦存傾角達(dá)到30°以上,同時(shí)為了達(dá)到高產(chǎn)高效的目的,采煤工作面布置長度普遍達(dá)到200 m以上,導(dǎo)致在回采工程中支承應(yīng)力復(fù)雜,礦壓顯現(xiàn)劇烈,導(dǎo)致煤壁片幫嚴(yán)重,頂板極易發(fā)生冒落,嚴(yán)重影響礦井的安全高效生[1-3]。

針對采煤工作面防片幫問題,專家學(xué)者也做了大量的研究和現(xiàn)場實(shí)踐,王國慶等[4]基于軟煤注水銹結(jié)機(jī)理,針對松軟、松散,易造成回采工作面片幫、冒頂?shù)奶攸c(diǎn),通過煤層深孔高壓注水與淺孔靜壓注水相結(jié)合、巖巷穿層鉆孔與煤巷順層鉆孔注水相補(bǔ)充等措施的實(shí)施,成功解決了松軟煤層煤壁片幫問題。周大為[5]研究了松軟煤層煤壁淺孔注水防片幫技術(shù)的機(jī)理,通過實(shí)驗(yàn)得出對松散煤體不同含水率條件下的力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律,并進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn),驗(yàn)證了煤壁淺孔注水防止松軟煤層煤壁片幫較好的技術(shù)效果。郝洪海等[6-7]以鄭煤集團(tuán)米村煤礦、告成煤礦“三軟”不穩(wěn)定厚煤層綜放頂煤開采為工程背景,通過實(shí)施淺孔動(dòng)態(tài)注水工藝,既有效地防治了采面片幫、冒頂事故,又降低了煤塵,同時(shí)也起到了釋放瓦斯作用,改善了工作面的安全狀況。

本文以平煤股份十礦己15-16-24070大采長傾斜煤層工作面為工程背景,從傾斜煤層開采過程中基本頂巖層來壓步距、工作面采場應(yīng)力集中分布規(guī)律及片幫特征進(jìn)行分析,提出采用智能供液系統(tǒng)提高液壓支架初撐力管理水平、對煤壁注水提高煤體塑性的采煤工作面煤壁防片幫方案,并在現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)中取得了較好的效果,對于類似條件下采煤工作面煤壁片幫治理具有較好的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 工作面概況

平煤十礦位于河南省平頂山市區(qū)東部,核定生產(chǎn)能力為330萬t/a。井田東西走向長約5 km,南北傾向?qū)捈s6.5 km,面積32.5 km2,井田內(nèi)主要開采煤層自上而下分別為戊、己組2個(gè)煤組,井田劃分為東西兩翼、3個(gè)生產(chǎn)水平。礦井主要開采煤層逐漸由二水平下部向三水平過渡,埋深達(dá)到800 m以深,屬于大埋深開采煤層。己15-16-24070工作面位于二水平己四采區(qū)東翼中段,主采己15-16合層煤層,煤層平均厚度3.5～3.7 m,工作面可采走向長870 m,傾向長331 m,平均傾角33°。

己15-16-24070工作面頂、底板巖層賦存情況如圖1所示。直接頂為厚5～9 m的深灰色砂質(zhì)泥巖,含薄層細(xì)砂巖,平均厚度為5 m;基本頂為厚8～13 m的厚層狀細(xì)至中粒砂巖,平均厚度10 m;直接底為厚1～2.8 m的砂質(zhì)泥巖及薄層細(xì)砂巖;基本底為厚5～6 m的灰色條帶細(xì)砂巖。

圖1 煤層綜合地質(zhì)柱狀Fig.2 Comprehensive geological histogram of coal seam

2 傾斜采煤工作面頂板來壓分析

2.1 傾斜煤層開采頂板來壓機(jī)理分析

相比于近水平煤層,傾斜煤層開采后圍巖將向采空區(qū)上部運(yùn)移,因此,采煤工作面采場上覆巖層的破壞范圍主要在采空區(qū)中上部。采場頂板巖層在垂直應(yīng)力及沿巖層傾向的剪切力作用下向采空區(qū)方向滑移[8-9]。隨著采煤工作面的推進(jìn),采場頂板巖層懸露面積逐漸增加,達(dá)到巖層極限承載能力后直接頂和基本頂巖層依次破斷垮落,形成采場周期來壓。根據(jù)己15-16-24070工作面的煤層賦存地質(zhì)條件,采場頂板巖層可按照均布載荷計(jì)算,直接頂周期來壓距離L1為[10-11]:

(1)

式中,M1為直接頂板巖層厚度;σ1為直接頂板巖層抗拉強(qiáng)度;γ1為直接頂板巖層容重;α為直接頂板巖層傾角。

式(1)中各參數(shù)取值為:M1= 5 m,σ1=0.85 MPa,γ1=25 kN/m3,α=33°。將參數(shù)代入式(1)計(jì)算得,己15-16-24070工作面直接頂周期來壓步距為8.26 m。

基本頂巖層厚而堅(jiān)硬,其破斷過程對工作面支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)強(qiáng)度與穩(wěn)定性影響最大。己15-16-24070工作面基本頂巖層周期來壓步距的準(zhǔn)數(shù)l0為[12-13]:

(2)

式中,M為基本頂板巖層厚度;σ0為基本頂板巖層抗拉強(qiáng)度;γ0為基本頂板巖層容重;μ為基本頂巖層泊松比。

式(2)各參數(shù)取值為:基本頂巖層厚度M=10 m,基本頂板巖層容重γ0=25 kN/m3,基本頂板巖層抗壓強(qiáng)度σ0=1.41 MPa,基本頂巖層泊松比μ=0.17,代入式(2)計(jì)算得,基本頂板巖層來壓步距準(zhǔn)數(shù)l0=38.1 m。己15-16-24070工作面采長l=331 m,l>3l0,因此基本頂板周期來壓步距L0為:

(3)

將參數(shù)代入式(3)得到基本頂板巖層的周期來壓步距L0為30.8 m。

2.2 采煤工作面頂板壓力監(jiān)測與分析

己15-16-24070工作面采場采用ZY10000/23/45液壓支架198架進(jìn)行支護(hù)。為了便于觀測、收集頂板壓力數(shù)據(jù),將工作面分為上部5—25號液壓支架、中部89—109號液壓支架和下部173—193號液壓支架3個(gè)監(jiān)部分,每個(gè)監(jiān)測部分中5架液壓支架為1組布置1個(gè)壓力計(jì),對采煤工作面推進(jìn)過程中頂板壓力壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測、記錄。其中,推進(jìn)88 m范圍內(nèi)監(jiān)測壓力變換曲線如圖2所示。

圖2 采煤工作面隨推進(jìn)頂板壓力變化曲線Fig.2 Curves of roof pressure variation with advancing in coal mining face

對現(xiàn)場監(jiān)測壓力變化曲線分析可知,采煤工作面推進(jìn)過程中上部、中部、下部的頂板周期來壓步距分別為22.4～25.6、 27.2～32.0、35.2～41.6 m,呈現(xiàn)出自上而下逐漸變小的趨勢。采煤工作面推進(jìn)過程中,在同一來壓周期由于上部區(qū)域采空區(qū)垮落矸石向下部滑移減弱對頂板的支撐,因此壓力首先達(dá)到峰值,基本頂巖層發(fā)生大面積垮落,垮落面積隨即向下部發(fā)展;下部區(qū)域由于上部區(qū)域垮落矸石的堆積對采空區(qū)頂板的支撐作用,較大的減弱的來壓的劇烈程度;中部區(qū)域采空區(qū)頂板懸露面積較大,來壓顯現(xiàn)最為劇烈。采煤工作面液壓支架自上而下動(dòng)載系數(shù)分別為1.26～1.38、1.39～1.60、1.10～1.32,與兩端相比,中部來壓較為劇烈,采煤工作面推進(jìn)過程中83—126號液壓支架范圍內(nèi)為煤壁易片幫區(qū)域,與頂板壓力分布基本契合。

3 工作面煤壁片幫控制技術(shù)

3.1 液壓支架智能供液技術(shù)

支架自身穩(wěn)定性及對圍巖失穩(wěn)的適應(yīng)性是支架—圍巖系統(tǒng)穩(wěn)定性耦合的關(guān)鍵[14-15]。在采煤工作面,來自頂板的荷載由支架和工作面煤體共同承擔(dān),工作面支架工作阻力不足,頂板荷載則會(huì)向工作面前方的煤體轉(zhuǎn)移,煤體承受的荷載升高,煤壁極易發(fā)生塑性變形、片幫。己15-16-24070工作面開采煤層深度超過800 m,采場處于高應(yīng)力環(huán)境,礦壓顯現(xiàn)和動(dòng)力響應(yīng)劇烈,頂板控制困難,因此液壓支架系統(tǒng)對工作面區(qū)域圍巖的穩(wěn)定性控制提出了更高的要求。

己15-16-24070工作面根據(jù)液壓支架一級護(hù)幫板上安裝的行程傳感器和壓力傳感器反饋信息,實(shí)現(xiàn)三級聯(lián)動(dòng)互幫智能控制和平衡千斤頂自動(dòng)調(diào)節(jié)、初撐力自動(dòng)補(bǔ)償?shù)软敯羼詈峡刂?大幅提升系統(tǒng)對地質(zhì)條件的適應(yīng)性,完成對頂板和煤壁支撐壓力的智能控制,有效提高了對工作面頂板和煤壁片幫的管理水平。液壓支架電液控系統(tǒng)將支撐壓力參數(shù)通過礦井萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)及時(shí)向智能化泵站反饋,如圖3所示,并對低于設(shè)定壓力值的液壓支架自動(dòng)補(bǔ)壓,有效避免補(bǔ)壓滯后問題。智能化供液系統(tǒng)工作模式如圖4所示,所采用的乳化液泵站為GYZ4型,液壓支架壓力目標(biāo)值P2=24 MPa,補(bǔ)壓下限分別為P0=12 MPa、P1=25 MPa,前3次補(bǔ)壓延時(shí)分別為T0=5 s、T1=60 s、T1=180 s,補(bǔ)壓次數(shù)設(shè)定為5次,支架在正常支撐的情況下,當(dāng)頂板松動(dòng)等原因?qū)е铝⒅虑粔毫Φ陀谠O(shè)定值時(shí),電控系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送升柱指令將立柱壓力補(bǔ)充至初撐力,保證工作面變流量恒壓供液,自動(dòng)應(yīng)對差異地質(zhì)條件。

圖3 采煤工作面智能泵站系統(tǒng)Fig.3 Intelligent pumping station system of coal mining face

圖4 智能集成自動(dòng)供液補(bǔ)壓模式Fig.4 Intelligent integrated automatic liquid supply and pressure supplement mode

壓力變化頻率和立柱壓縮量是反映液壓支架與工作面頂板是否具有良好耦合關(guān)系的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)己15-16-24070工作面周期來壓過程中分區(qū)來壓的特點(diǎn),本文選取工作面中間不同區(qū)域液壓支架支撐力平均值作為研究對象,液壓支架各阻力范圍所占比例見表1。

表1 液壓支架各阻力范圍占比Tab.1 Proportion of each resistance range of hydraulic support %

己15-16-24070工作面通過智能泵站對液壓支架自動(dòng)補(bǔ)壓,補(bǔ)壓下限為24 MPa,超過液壓支架41.5 MPa的安全閥值,安全閥自動(dòng)打開卸壓。由表1分析可知,壓力處于30～36 MPa所占比例達(dá)到60%以上,比平煤十礦原有類似條件下工作面所占比例提高了30%～40%,液壓支架處于額定工作狀態(tài)比例得到明顯提高,對頂板起到有效的支撐作用。智能化補(bǔ)壓技術(shù)應(yīng)用到己15-16-24070工作面后各支架受力分布和受力比原有工作面液壓支架更為合理,液壓支架與頂板具有較好的耦合關(guān)系,降低頂板下沉量與下沉速度,對工作面回采期間的頂板和煤壁片幫起到了良好的控制作用。

3.2 煤層注水技術(shù)

煤層注水是突出煤層工作面增加煤體含水率和塑性,預(yù)防煤層片幫、突出危險(xiǎn),提高設(shè)備開機(jī)率和推進(jìn)速度的重要技術(shù)之一[16-17]。己15-16-24070工作面煤壁施工深度投影長度8 m,φ42 mm的注水孔,保證超前單日2 m推進(jìn)量,如圖5所示,注水在采面5—97架,每部液壓支架(93個(gè)孔)布置注水鉆孔,按一平一下扎布置,仰孔與下扎孔角度參照6°和-12°執(zhí)行,注水孔采用采用φ38 mm的礦用注漿封孔器進(jìn)行封孔。

圖5 注水孔布置Fig.5 Layout of water injection holes

注水量隨注水壓力變化曲線如圖6所示。隨著注水由2.5～3.0 MPa的凈水壓力增加至5.0～5.5 MPa,單孔注水量明顯增加,但濕潤半徑較小;當(dāng)注水壓力增加至7 MPa以上,鄰孔出水量明顯增加,濕潤半徑并未得到增加,且鉆孔內(nèi)壁因泥化增加封堵部分裂隙,煤壁浸潤效果較差。因此,最佳注水壓力為7 MPa。

表2 注水孔布置參數(shù)Tab.2 Layout parameters of water injection holes

圖6 注水量隨注水壓力變化曲線 Fig.6 Curves of water injection volume changing with water injection pressure

注水前后現(xiàn)場煤壁效果對比如圖7所示。由于己15-16-24070工作面一次采高為3.9 m,受到高應(yīng)力集中、煤層傾斜及斷層影響煤壁容易發(fā)生片幫,嚴(yán)重影響現(xiàn)場管理和工作面的割煤效率。通過對工作面液壓支架支撐力的管理,不僅提高了液壓支架對頂板的支撐作用,減少頂板下沉量,而且煤壁注水顯著提高了煤壁的塑性,受到應(yīng)力集中影響時(shí)可有效保證割煤期間煤壁的平整,消除了煤壁片幫問題,回采速度由原來的圓班推進(jìn)2～3刀提高到6刀以上。

圖7 注水前現(xiàn)場后煤壁效果對比Fig.7 Comparison of the effect of rear coal wall on site before water injection

4 結(jié)論

(1)針對平煤股份十礦深部傾斜煤層工作面因支承應(yīng)力復(fù)雜,礦壓顯現(xiàn)劇烈導(dǎo)致的煤壁片幫嚴(yán)重,頂板極易發(fā)生冒落的難題,根據(jù)己15-16-24070工作面的煤層地質(zhì)賦存條件分析傾斜煤層工作面在回采過程中上覆巖層破壞范圍和應(yīng)力分布特點(diǎn),并結(jié)合傾斜煤層頂板周期來壓機(jī)理計(jì)算得到直接頂板、基本頂板周期來壓步距分別為8.26、30.8 m。同時(shí),對采煤工作面推進(jìn)過程中頂板壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測分析可知:采煤工作面推進(jìn)過程中上部、中部、下部的頂板周期來壓步距分別為22.4～25.6、 27.2～32.0、35.2～41.6 m,呈現(xiàn)出自上而下逐漸變小的趨勢;液壓支架自上而下動(dòng)載系數(shù)分別為1.26～1.38、1.39～1.60、1.10～1.32,與兩端相比,中部來壓較為劇烈。

(2)始終保持合理的支架支護(hù)強(qiáng)度是降低頂板下沉量與下沉速度是消除煤壁片幫的有效途徑,己15-16-24070工作面液壓支架供液系統(tǒng)采用智能化泵站技術(shù),各支架受力分布和受力比原有工作面液壓支架更為合理,液壓支架與頂板具有較好的耦合關(guān)系,降低了頂板下沉量與下沉速度。采用智能化泵站系統(tǒng)后,相比原有類似條件,工作面液壓支架處于額定工作狀態(tài)比例提高了30%～40%,對工作面回采期間的頂板和煤壁片幫起到了良好的控制作用。

(3)己15-16-24070工作面煤壁施工深度投影長度8 m的注水孔,并通過現(xiàn)場試驗(yàn)得到最佳的注水壓力為7 MPa。煤壁實(shí)施注水后,顯著提高了煤壁的塑性,割煤厚煤壁平整,消除了煤壁片幫問題,回采速度由原來的圓班推進(jìn)2～3刀提高到6刀以上。