厚煤层综放开采矿压显现规律及支架选型优化

王俊青

(山西新村煤业有限公司,山西 长治 046000)

我国的厚煤层储量占总储量的45.6%,厚煤层原煤产量占到了全部产量的44.8%,厚及特厚煤层是主要的开采对象,其安全高效开采具有主要意义[1]。综放开采技术是实现厚及特厚煤层高效集约化生产最有效的方法之一。某煤矿由于在开采过程中对厚煤层综放开采条件下工作面矿压显现特征缺乏深入了解,工作面开采受顶板活动的影响突出[2]。同时,由于综采生产技术管理水平和经验不足等原因,工作面支架-围岩相互作用关系较差,存在煤壁片帮、端面冒顶等矿压显现情况。

以某煤矿1109工作面厚煤层综放开采为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合方法对厚煤层综放开采矿压显现规律、支架选型以及支架适应性分析,以保障厚煤层安全高效开采。

1 生产地质条件

该矿主采的4号煤层结构较简单,煤厚6.5 m ～10.5 m,平均8.5m,煤层倾角0～10°,平均5°。煤层厚度变化较稳定,煤层夹矸变化明显,由东向西呈逐渐变薄的趋势,夹矸一到三层,厚度0～1.5 m,以泥岩为主。主要的一层夹矸(4-1和4-2的分界层)位于煤层顶板向下3.3 m～5.0 m处,夹矸厚度由东向西变化为1.5 m～0 m。

1109工作面采用走向长壁综合机械化放顶煤一次采全厚开采,考虑到距煤层顶板3.0 m～3.5 m存在一层较稳定夹矸层,确定工作面机采高度3.0 m。

2 综放工作面覆岩活动规律分析

结合1109工作面煤岩层地质和开采技术条件,建立三维模型对覆岩活动及顶板应力场、破坏场分布规律进行模拟分析。

2.1 数值模型及模拟参数

应用有限元程序FLAC3D,以1109工作面地质条件为背景,对工作面煤层开采后覆岩移动破坏情况进行数值模拟,建立数值计 算模型尺寸为300 m×200 m×132 m,工作面沿X轴方向推进,采用Mohr-coulomb本构模型[3],模型两侧与前后限制水平方向移动,模型底部边界限制垂直方向移动,模型上部加自重荷载8 MPa。数值模拟计算采用的煤和岩体的力学参数如表1所示。

表1 煤和岩体的力学参数Table 1 Mechanical parameters of coal and

2.2 数值模拟结果分析

(1)围岩破坏场分析

1-a 工作面回采60 m

1-b 工作面回采120 m图1 随工作面推进覆岩破坏情况Fig.1 Overlying rock damage with the advance of working face

对覆岩破坏的模拟结果分析:图1-a,当工作面推进至60 m时,煤层顶板中8.1 m厚中粒砂岩、1.5 m厚粉砂岩和0.5 m厚泥岩已完全破坏,塑性区已经发展14.0 m厚的粉砂岩上部,工作面煤壁前后方的破坏区宽度为7.5 m,冒落带高度为28.1 m。图1-b,当工作面推进至120 m时,在采空区自下而上,依次发育表现出拉伸破坏、剪切破坏和弹性变形区域分布,每一次基本顶周期性的破断和垮落都会使得发生拉伸破坏的区域范围逐渐变大,同时上部剪切破坏的区域也在不断扩大,但是工作面的冒落带高度维持在33.2 m。

(2)围岩应力场分析

对图2为随工作面推进覆岩应力场变化情况分析:图2-a,当工作面回采60 m时,工作面回采扰动范围进一步加大,工作面上方的低应力区逐渐向上延伸,工作面煤壁高应力区最大主应力值达到18 MPa以上,煤壁前方低支承应力区宽约7.5 m,在工作面前方9 m处出现峰值支承应力,煤壁支承应力达到工作面回采过程中的一个极值,可以认为此时基本顶达到了极限强度,初次垮落。

2-a 工作面回采60 m

2-b 工作面回采120 m图2 随工作面推进覆岩应力场变化情况Fig.2 Stress field variation of overlying rock with the advance of working face

图2-b,当工作面回采120 m时,开采扰动趋于稳定,基本顶岩层形成较大范围的应力拱结构,采空区前方后方高支承压力区距煤壁约20 m,工作面前后方煤壁高应力区最大主应力值区域稳定不变。

3 综放液压支架选型

由覆岩活动规律的数值模拟研究,可知1109工作面老顶类别为Ⅱ来压较明显老顶,直接顶类别为2较中等稳定顶板,支架类型选择掩护式或支撑掩护式。因为支撑掩护式支架相对于掩护式支架对顶板的切顶能力强且通风断面大适合高瓦斯工作面,故1109工作面选用支撑掩护式支架较合理。

(1)支架最大高度

考虑到工作面顶板存在伪顶或者顶板局部冒落的可能,液压支架的最大支护高度应该在煤层最大采高的情况下增加0.2 m～0.3 m[4],即:

hmax=Hmax+(0.2～0.3) m.

式中:Hmax为开采煤层的最大高度,m。

(2)支架最小高度

支架最小高度由下式计算:

hmin=Hmin-S-g-e.

式中:hmin为开采煤层的最小高度,m;g为支架顶梁与底座浮矸厚度,取0.05 m;e为支架移架时支柱回缩量,一取0.03 m～0.05 m;S为支架后立柱最大下缩量,即:S=aRHmin;R为后立柱到煤壁的距离,m;a为考虑到顶板级别的系数,对于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级顶板分别取值为0.04、0.025、0.015。

根据1109工作面4-1煤层厚度为2.8 m ～5.4 m,因此根据以上公式可得,工作面支架的最大高度应为5.6 m ～5.7m,最小高度应为2.45 m ～2.55 m。另外,根据1109工作面现场生产实际,工作面煤层距底板3.0 m左右有一层泥岩夹矸,为了保证采煤机顺利割煤以及端面顶板的稳定性,决定工作面煤层最大开采高度控制在3.0 m左右。所以,支架的最大采高应≥3.0 m,最小采高应满足≤2.45 m ～2.55 m。

综合以上,采用ZF6400/17/32型液压支架支护顶板,全部垮落法管理顶板,支架间距为1.5 m。

4 工作面液压支架工作阻力实测分析

为了分析工作面支架的承载特征及适应性,沿工作面倾斜方向在上、中、下三个部位布置测区,共6条测线,上部测区布置在93#、94#液压支架所在位置,中部测区布置在49#、50#液压支架所在位置,下部测区布置在6#、7#液压支架位置,如图3所示。采用YHY60(B)矿用本安型数字压力计自动采集压力,对工作面液压支架工作阻力进行观测[5]。

每条测线在液压支架上“前立柱”和“后立柱”分别安装1台压力计。该压力计有两个接入口,每个接口测一根立柱的压力。这样支架前排两根立柱用一个压力计观测,后面的两根立柱用一个压力计,共安装12台。

图3 工作面测线布置示意图Fig.3 Measuring line layout of working face

对支架的工作阻力进行观测,得到以下结果:

表2 实测液压工作阻力值Table 2 Measured hydraulic working resistance

由表2可以看出:时间加权工作阻力平均值为3644.34kN/架,相当于额定工作阻力定工作阻力(6400kN/架)的56.94%。其最大值为5963.80kN/架,相当于额定工作阻力的93.18%。实测循环末工作阻力平均值为4716.69kN/架,循环末工作阻力实测值(平均值)与额定工作阻力(6400kN/架)比值为73.70%;顶板来压时最大工作阻力6302.16kN/架,为额定工作阻力的98.46%。液压支架在1109工作面应用时,支架的工作阻力利用充分。

5 结束语

厚煤层采用综放开采,随工作面推进,顶板下部岩层发生拉破坏,顶板破坏高度不断增大,冒落带高度为28.1 m～33.2 m,工作面支架需控制顶煤、直接顶和部分基本顶载荷。

在工作面前方煤壁为应力增高区,出现应力峰值,达到18 MPa,在超前支撑压力作用下,工作面煤壁发生破坏,支撑能力下降,要求支架具有较强的承载能力和抵御失稳冲击破坏能力。

确定采用ZF6400/17/32型液压支架支护顶板,发现实测工作阻力均小于支架额定工作阻力,认为支架工作阻力具有良好适应性。