董長(zhǎng)吉， 翟永勝

(1.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省普通高等學(xué)校采礦工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150022;2.北京昊華能源股份有限公司 長(zhǎng)溝峪煤礦，北京 102451)

隨著煤礦開采強(qiáng)度的不斷增大，許多礦區(qū)賦存條件“優(yōu)越”的煤層儲(chǔ)量越來越少，致使礦區(qū)內(nèi)部分礦井的開采對(duì)象不得不由條件相對(duì)“優(yōu)越”的煤層轉(zhuǎn)向復(fù)雜的急傾斜煤層。急傾斜煤層的主要開采方法有倒臺(tái)階采煤法、柔性掩護(hù)支架采煤法、俯偽斜分段密集采煤法、巷道放頂煤采煤法和水平分段放頂煤采煤法[1]。由于該類煤層成煤過程復(fù)雜以及煤層賦存獨(dú)特，開采方法選擇具有一定的局限性[2－4]。煤層大于10 m、賦存變化不大的煤層，采用水平分段放頂煤采煤方法，取得了較好的應(yīng)用效果[5－6]。水平分段放頂煤開采方法，具有安全性高、資源回收率高、工序組織簡(jiǎn)單、工作面作業(yè)條件好和工人勞動(dòng)強(qiáng)度低等特點(diǎn)[7]。目前，我國(guó)7～9 m急傾斜厚煤層賦存較多，但開采難度較大，缺乏開采經(jīng)驗(yàn)[8－9]。針對(duì)該類煤層特點(diǎn)，長(zhǎng)溝峪煤礦工作面采用Z型通風(fēng)、整體組合懸移支架支護(hù)頂板及水平分段放頂煤開采的方法。該采煤方法實(shí)施的關(guān)鍵是進(jìn)風(fēng)巷道掘進(jìn)位置、回風(fēng)巷道的留設(shè)方法和分段高度的確定，而頂板壓力及其變化是影響進(jìn)風(fēng)巷道掘進(jìn)、回風(fēng)巷道留設(shè)與工作面支護(hù)穩(wěn)定的主要因素。筆者結(jié)合該采煤方法巷道布置特點(diǎn)，沿工作面走向與傾斜方向?qū)γ簩禹敯鍓毫ψ兓闆r進(jìn)行分析，找出采煤工作面礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)，以此提高進(jìn)風(fēng)巷道與回風(fēng)巷道的穩(wěn)定性，發(fā)揮支架的優(yōu)勢(shì)，有效地控制頂板，為煤礦安全高效生產(chǎn)提供可靠的數(shù)據(jù)，同時(shí)為該類煤層開采方法研究提供參考。

1 工作面概況與開采方法

北京昊華能源股份有限公司長(zhǎng)溝峪煤礦15槽開采塊段煤層平均厚度為7 m，平均傾角為55°，煤層走向長(zhǎng)60 m，采用Z型通風(fēng)水平分段放頂煤采煤方法。工作面布置如圖1所示。

圖1 工作面布置Fig.1 Working face layout

由圖1所示，工作面沿垂直煤層走向直線水平布置，沿煤層走向推進(jìn)，采用七組整體組合懸移支架支護(hù)頂板，單一支架有效支護(hù)面積為2.600 m×0.960 m=2.496 m2。隨著工作面回采，沿煤層底板留設(shè)回風(fēng)巷道，以構(gòu)成工作面Z型全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng)。

2 測(cè)點(diǎn)布置與數(shù)據(jù)分析

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

沿煤層頂板掘進(jìn)運(yùn)輸巷道，至開切眼位置后安裝工作面支架，與聯(lián)絡(luò)巷道構(gòu)成通風(fēng)系統(tǒng)。隨著工作面不斷推進(jìn)，沿煤層底板留回風(fēng)巷道。由于工作面采用分段放頂煤工藝，致使回風(fēng)巷道受采動(dòng)影響較大，而回風(fēng)巷道的穩(wěn)定性至關(guān)重要，故在運(yùn)輸巷道、工作面和回風(fēng)巷道均布置測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)壓力變化情況。測(cè)點(diǎn)布置方法如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Arrangement of measuring place

2.2 數(shù)據(jù)分析

研究煤層較厚，煤層開采對(duì)頂?shù)装鍓毫ψ兓绊戄^大。工作面回采初期，由于推進(jìn)距離較短，底板側(cè)向回風(fēng)巷道壓力變化無實(shí)際意義，故而選擇回采中期壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。運(yùn)輸巷道、工作面和回風(fēng)巷道壓力曲線如圖3所示。

圖3 巷道與工作面壓力曲線Fig.3 Pressure curves for airway and working face

根據(jù)壓力曲線可知，運(yùn)輸巷道近工作面約10 m范圍內(nèi)頂板壓力變化較大，說明受采動(dòng)影響較大，而10 m以外壓力趨于穩(wěn)定。由于礦山壓力作用，頂煤基本松散，降低了其對(duì)煤層頂板的支撐作用，故運(yùn)輸巷道壓力主要來源煤層頂板;工作面支架壓力較穩(wěn)定，主要來源于上部煤層壓力?；仫L(fēng)巷道因采用沿空留巷工藝及柔性掩護(hù)支架支護(hù)，受采動(dòng)影響范圍較運(yùn)輸巷道小。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型

采用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)Z型通風(fēng)工作面進(jìn)行數(shù)值模擬，煤層及頂?shù)装逑嚓P(guān)參數(shù)見表1。

表1 煤層及頂?shù)装鍏?shù)Table 1 Parameters of coal seam and roof and floor

利用COMSOL軟件自帶的建模工具建立幾何模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。選用三角形網(wǎng)格，并對(duì)梯形巷道周圍進(jìn)行細(xì)化處理。模型及網(wǎng)格分布見圖4。

圖4 模型與網(wǎng)絡(luò)劃分Fig.4 Model schematic plot and grid layout plan

3.2 結(jié)果分析

模型兩側(cè)及下端為固定約束，根據(jù)礦壓觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行加載。運(yùn)輸巷道、回風(fēng)巷道與工作面支架應(yīng)力云圖及應(yīng)力等值線如圖6、7所示。

圖5 巷道應(yīng)力云圖Fig.5 Tunnel stress nephogram

圖6 巷道應(yīng)力等值線Fig.6 Tunnel stress contour

由圖5、6可以看出，煤層底板側(cè)回風(fēng)巷道壓力較大，距離工作面8 m且靠近煤層底板處為應(yīng)力增高區(qū)域;煤層頂板側(cè)巷道應(yīng)力集中范圍為工作面上方近頂板側(cè)6 m;位于工作面上方11 m處頂板垮斷，與實(shí)際開采情況相符合;距離工作面上方14 m范圍煤層受應(yīng)力作用較為松散，可放性較好。

4 結(jié)論

采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與數(shù)值模擬方法研究7～9 m急傾斜厚煤層Z型通風(fēng)工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，得到如下結(jié)論:

(1)運(yùn)輸巷道受采動(dòng)影響較回風(fēng)巷道大，在工作面回采推進(jìn)過程中應(yīng)對(duì)運(yùn)輸巷道與回采巷道距離工作面12 m范圍進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

(2)由于煤層傾角較大，回風(fēng)巷道壓力主要來自煤層底板，壓力集中范圍應(yīng)為工作面上方6 m。

(3)距離工作面上方0～14 m范圍煤層較松散，可放性較好，故分段放煤高度取14 m，能夠有效提高回采效率。

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