武立飛,蔡明華

(神木匯森涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西　神木　719300)

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·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

涼水井煤礦綜采工作面初采初放頂板控制技術(shù)

武立飛,蔡明華

(神木匯森涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西神木719300)

針對涼水井煤礦42112工作面初采期間堅(jiān)硬頂板難以垮落問題，綜合采用了數(shù)值模擬、現(xiàn)場觀測等方式，研究了該工作面初采期間采空區(qū)頂板內(nèi)應(yīng)力分布和塑性區(qū)分布變化特征，得出了基本頂斷裂時初次來壓步距。并針對初次來壓可能造成的沖擊危害，采用深孔爆破方式進(jìn)行強(qiáng)制放頂。工程實(shí)踐表明，研究結(jié)果與現(xiàn)場基本吻合，放頂效果良好，保證了綜采工作面的初采期間安全回采，滿足了正常生產(chǎn)需求。

淺埋煤層；頂板跨落；數(shù)值模擬；現(xiàn)場觀測；應(yīng)力分布；初次來壓步距；強(qiáng)制放頂

涼水井煤礦位于陜西省神木縣，其井田屬于世界七大煤田之列的神府煤田，煤層穩(wěn)定可靠，煤質(zhì)優(yōu)良，地質(zhì)構(gòu)造簡單，埋深較淺，其煤層開采時的礦壓顯現(xiàn)特征往往區(qū)別于埋深較大的礦井，尤其在初采期間，較為堅(jiān)硬的頂板不能及時垮落，隨著初采工作面頂板跨距的增大，如不及時進(jìn)行強(qiáng)制放頂往往形成采空區(qū)頂板大面積垮落。垮落所形成的沖擊波對工作面人員和設(shè)備能夠造成不可預(yù)測的災(zāi)害。因此，本文通過建立初采期間數(shù)值計算模型，分析了初采期間直接頂和基本頂內(nèi)的應(yīng)力分布變化規(guī)律和塑性破壞區(qū)分布規(guī)律，并現(xiàn)場采用深孔爆破強(qiáng)制放頂措施控制頂板，取得了良好的放頂效果。

1　工作面地質(zhì)概況

涼水井煤礦42112綜采工作面位于主采4-2煤層，位于延安組第二段頂部，煤層傾角為0°～3°，平均埋深為100 m，頂板基巖薄，上覆較厚的沙漠蓋層，屬于淺埋薄基巖類井田。工作面平均采高3.06 m，傾向長度310 m.南部為42111工作面采空區(qū)，北部為42113工作面實(shí)煤體區(qū)，工作面切眼東部為423盤區(qū)實(shí)體煤。整個工作面內(nèi)無斷層等地質(zhì)構(gòu)造，根據(jù)以往工作面開采經(jīng)驗(yàn)，水平地應(yīng)力對巷道和采場影響較小。該工作面的頂?shù)装鍘r性見表1.

表1　42112工作面頂?shù)装迩闆r表

2　工作面初采期間頂板應(yīng)力變化規(guī)律

2.1數(shù)值模型的建立

該工作面內(nèi)煤層平均埋深100 m，平均采高3.06 m，面長為310 m，近水平。本文采用大型巖土類計算軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值計算，將頂?shù)装宓刭|(zhì)條件簡化后，建立平面計算模型，見圖1.模型的尺寸為210 m×1 m×90 m，模型的底部和兩側(cè)為位移固定邊界條件，頂部施加大小為1.5 MPa、方向豎直向下的均布載荷，本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，各巖層的巖石力學(xué)參數(shù)見表2.計算過程中對模型初采空間進(jìn)行分步開挖，模擬推采空間分別為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m時的頂板內(nèi)應(yīng)力和塑性區(qū)分布情況。

圖1　數(shù)值計算模型圖

巖型體積模量K/GPa剪切模量G/GPa內(nèi)摩擦角f/(°)黏結(jié)力C/MPa抗拉強(qiáng)度上覆巖層3.032.16221.60.6基本頂6.415.21313.51.4直接頂4.053.16242.70.8煤層2.031.01201.81.0直接底4.883.78312.00.8基本底4.02.9303.21.2

2.2初采模擬結(jié)果分析

1) 不同推進(jìn)長度頂板的應(yīng)力分布。

根據(jù)材料力學(xué)理論，受到上方均布載荷作用的兩端固支梁，隨著梁長度的增加，中部拉應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度時引起梁的破壞。直接頂內(nèi)的應(yīng)力分布見圖2, 基本頂內(nèi)的應(yīng)力分布見圖3.從圖2可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)上方的懸頂面積逐漸增大，直接頂中部的拉應(yīng)力逐漸增大，工作面推進(jìn)20 m后基本穩(wěn)定，穩(wěn)定后的拉應(yīng)力值為0.8 MPa左右，已經(jīng)達(dá)到了直接頂?shù)目估瓘?qiáng)度，但是從圖3可以看出，在工作面推進(jìn)度從20～30 m的過程中，采空區(qū)中部基本頂巖層內(nèi)水平應(yīng)力從壓應(yīng)力逐漸變?yōu)槔瓚?yīng)力，且到50 m時達(dá)到最大，基本穩(wěn)定在1.4 MPa，此時達(dá)到了基本頂?shù)目估瓘?qiáng)度。

圖2　直接頂內(nèi)的應(yīng)力分布圖

圖3　基本頂內(nèi)的應(yīng)力分布圖

2) 不同推采長度的拉剪破壞區(qū)分布。

不同推進(jìn)長度的拉剪破壞區(qū)分布見圖4，從圖4可以看出，在工作面推進(jìn)到40 m時，拉剪破壞區(qū)已經(jīng)貫穿直接頂，當(dāng)工作面推進(jìn)到50 m時，基本頂中部已經(jīng)有一定程度的拉伸破壞。此時老頂開始斷裂，頂板下沉量增大，工作面開始初次來壓。

根據(jù)數(shù)值模擬應(yīng)力分析及拉剪破壞區(qū)分布特征推斷，42112工作面的初次來壓出現(xiàn)在工作面推進(jìn)至50 m左右時。根據(jù)涼水井煤礦已開采的工作面經(jīng)驗(yàn)，類似地質(zhì)條件下綜采工作面的初次來壓步距也在50～60 m，因此,模擬的結(jié)果與工程實(shí)踐相吻合，其分析結(jié)果有一定的理論價值。

3　頂板控制措施及現(xiàn)場觀測

3.1頂板控制措施

42112工作面傾向長度較大，為310 m，如果不采取有效的頂板管理措施，工作面出現(xiàn)初次來壓前將會形成大面積的懸頂，初次來壓期間頂板的大面積垮落會形成很強(qiáng)的沖擊波，工作面設(shè)備和人員可能會遭受不可預(yù)測的災(zāi)害。工作面設(shè)備安裝完畢后，在支架后方開切眼頂板采用深孔爆破強(qiáng)制放頂措施是及時有效的頂板管理方法，具體的施工方案如下:

圖4　不同推進(jìn)長度時頂板的塑性區(qū)分布圖

深孔爆破鉆孔布置圖見圖5.

圖5　深孔爆破鉆孔布置圖

如圖5所示，42112工作面長310 m，在工作面開切眼中布置52個深孔爆破鉆孔，孔間距為6 m，成孔直徑為92 mm，由于42112回風(fēng)巷另一側(cè)為42111工作面采空區(qū)，為便于42112回風(fēng)巷初采期間頂板控制達(dá)到較好的爆破效果，1#～3#鉆孔為正北傾向，4#～52#鉆孔為正南傾向，鉆孔的傾角都是45°，鉆孔的垂深為6～17 m，同時，1#～6#鉆孔為掏槽眼，7#～52#鉆孔為輔助眼。爆破采用煤礦特許的水膠炸藥和毫秒延期電雷管，PVC管裝藥，采用黃泥制作的炮泥封堵管口。分為3組起爆，首先是1#～6#掏槽眼起爆，然后是7#～29#輔助眼起爆，最后是30#～52#輔助眼起爆，3組之間單獨(dú)連線，組內(nèi)炮孔成串聯(lián)式連線。

3.2現(xiàn)場觀測

42112工作面采用ZY12000/20/40D液壓支架，支架上安裝北京天地瑪珂公司的電液操作控制系統(tǒng)，且配套有支架頂板壓力監(jiān)控系統(tǒng)，能夠很好地監(jiān)測頂板的壓力情況。強(qiáng)制放頂后直接頂破碎冒落，工作面推進(jìn)20 m左右時，支架壓力有所增大，工作面頂板局部出現(xiàn)淋水；工作面推進(jìn)53 m時，采空區(qū)頂板開始出現(xiàn)大范圍大塊矸石的垮落，并伴隨著強(qiáng)烈的巖爆聲，部分支架壓力達(dá)到40 MPa以上，工作面涌水量增大，達(dá)到600 m3/h以上，此時基本頂初次來壓。基本頂初次來壓期間工作面頂板沒有出現(xiàn)大面積同時垮落現(xiàn)象，說明深孔爆破強(qiáng)制放頂措施方案合理，取得了較好的工程效果。

4　結(jié)　論

1) 通過建立數(shù)值計算模型，分析了42112工作面初采期間不同推進(jìn)長度時采空區(qū)上方直接頂以及基本頂內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)和塑性破壞區(qū)分布狀態(tài)，得出基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?0 m左右。

2) 為防止堅(jiān)硬頂板的大范圍跨落傷人，在工作面初采期間采取深孔爆破強(qiáng)制放頂措施?，F(xiàn)場觀測表明，頂板初次來壓步距與研究結(jié)果基本吻合，且強(qiáng)制放頂方案合理，取得了較好的工程應(yīng)用效果。

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Study on Initial Mining and Initial Roof Caving Control Technology of Fully Mechanized Mining Face in Liangshuijing Coal Mine

WU Lifei, CAI Minghua

The methods of numerical simulation and field observation is comprehensive used to research on the changing characteristics of stress distribution and plastic zone distribution of the goaf roof in the orking face during the primary mining. And the first weighting interval of main roof breakage is obtained. According to the possible impact damage caused by first weighting, adopts the method of deep hole blasting to force the hard roof collapse. Engineering practice shows that research results is consistent with the field observation. The engineering effect is perfect, and it not only guarantees the safe mining of the fully mechanized mining face, but also satisfies the requirements of normal production.

Shallow coal seam; Roof falling; Numerical simulation; Field observation; Stress distribution; First weighting interval; Forced roof caving

2016-05-17

武立飛(1989—)，男，河北石家莊人，2015年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，碩士研究生，助理工程師，主要從事巷道圍巖控制的研究工作

(E-mail)648421022@qq.com

TD322

A

1672-0652(2016)06-0023-04