文/楊國強

大海則礦超大采高綜采煤層及圍巖強度適應性分析

文/楊國強

近年來，隨著綜采設備制造技術的飛速發(fā)展，綜采設備走向重型化、強力化和自動化，使設備的可靠性得到保證，有力地推動了大采高綜采技術的發(fā)展，帶來了新一輪采煤技術的革命。目前，部分條件好的礦區(qū)已經(jīng)開始探索采用8.0～8.5m大采高綜采技術的可行性。但對于大采高深部開采礦井，煤壁的穩(wěn)定性是保證采煤方法成功的核心因素。本文通過應用實驗室試驗、理論分析、工程類比與數(shù)值模擬相結合的方法，分析了大海則礦2#煤層超大采高條件下的煤層及圍巖強度適應性，為后續(xù)合理采煤方法的選擇及設備選型配套奠定了基礎。

一、煤巖結構及力學性質分析

1.煤巖結構分析

現(xiàn)場采集2#煤層直接頂、煤層和直接底煤，進行微結構分析。2#煤直接頂以泥巖、粉砂質泥巖為主，粘土礦物為巖石主體，內(nèi)含泥礫結構多呈扁平體狀，大小不一，大體與層面平行，基本做到了隨采隨冒。

2#煤層次生裂隙較發(fā)育，易沿層面裂開，由于粘土礦物相對較多，且夾矸為粉砂-泥狀結構，大體垂直層面分布，使得煤層更容易產(chǎn)生離析，進而導致片幫。2#煤層直接底以原生泥礫為主，粉砂巖老底粘土礦物含量達70%，基本上能保證支架的快速拉移。但部分區(qū)域泥巖直接底粘土礦物含量達42%，需防止遇水軟化，造成底鼓。

2.煤巖物理力學分析

采集新揭露煤樣，分別測試煤樣的單軸抗拉強度、單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比、變角剪強度、粘結力和內(nèi)摩擦角。從抗壓強度看，最大值15.98MPa，最小值8.76MPa，平均值12.99MPa，屬于軟煤。在超大采高條件下，需防止煤壁片幫冒頂甚至災變的風險，后期需進行詳盡的煤壁穩(wěn)定性分析，并在煤層充分揭露后，補做充足的煤巖物理力學測試。

二、煤層頂?shù)装鍙姸确治?/h2>

1.頂?shù)装鍘r性分析

井田所屬2#煤層厚度4.41～10.97m，平均厚度6.32m。將2#煤層與其它條件大采高礦井類比分析。一方面，大海則2#煤層頂板主要為泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖為主，能夠做到隨采隨冒，2#煤層頂板的及時垮落能在一定程度上減緩支架的載荷和煤壁壓力，防治片幫和冒頂。另一方面，如果頂板完整度不好，架間容易冒落，傷人。目前來看，頂板強度能夠滿足要求，且2#煤層底板以泥質粉砂巖、粉砂質泥巖為主，粉砂巖的比例較高，強度中等，有利于支架的快速推移。煤層頂?shù)装鍡l件較好，能滿足控頂和支架的快速推移。

2.支架底座穩(wěn)定性分析

底板承受支架的全部載荷，對支架的底座影響較大，底板的軟硬和平整性，基本決定了支架底座的結構和支承面積。選型時，要驗算底座對底板的接觸比壓，其值要小于底板的允許比壓。為此，采用專業(yè)數(shù)值分析軟件，依據(jù)現(xiàn)場測得允許底板比壓值作為底座的極限值并建立支架對底板的受力分析模型。

通過支架對底板受力分析可以看出，底座中部下方的底板受力最大，變形也最為明顯，約9mm。底座前端下方底板受力不大，變形較不明顯。數(shù)值模擬結果對比工作面現(xiàn)場底板比壓測定結果可知，支架在正常工作范圍內(nèi)施加給底板的作用力不足以使其破壞。因此，支架底板最小比壓需要選擇大于0.92。同時，大海則礦回采過程中可能會出現(xiàn)涌水量較大情況，且煤層底板自身遇水泥化后強度急劇降低，這將給工作面頂板管理、支架移架等帶來不利影響。

三、煤層強度適應性分析

1.煤壁穩(wěn)定性分析

針對2#煤層的特定條件，其核心因素是煤層強度和裂隙發(fā)育程度，通過探水鉆孔的實際鉆進表明，煤體裂隙不發(fā)育。因此，煤層強度對能否采用超大采高綜采起決定作用。回采工作面煤壁若不考慮護幫，煤壁暴露后，在巖層垂直支承壓力作用下將發(fā)生近似單軸壓縮破壞，其實質是壓拉型脆性破壞，可近似按單軸破壞條件考慮。壓拉破壞的條件為：

式中，km為壓拉破壞指數(shù)；σz為煤體垂直應力，MPa；Rc為煤體單軸抗壓強度，MPa；τ0為煤體抗剪粘結強度，MPa；φ為煤體內(nèi)摩擦角。

計算得出2#煤層壓拉破壞指數(shù)為0.94，尚不足以造成破壞，但回采過程中必然產(chǎn)生超前應力集中，極易發(fā)生片幫。結合大采高工作面煤壁在超前支承壓力作用下往往已發(fā)生塑性破壞情況，因此，建立平面剪切滑動破壞模型，其臨界穩(wěn)定高度為：

式中，Hcr為采場臨界高度，m；C為巖體內(nèi)聚力，MPa；γ為巖體體積力，kN/m3；φt為剪切滑動體的速度矢量與滑動面的夾角。將2#煤層的參數(shù)代入計算，得到Hcr與φt的關系。

由于φt參數(shù)較難確定，若割煤高度達到6.9m，則φt達到70.6°。通過數(shù)值模擬分析得到速度矢量與煤壁夾角為61°～68°，φt按61°考慮，Hcr為4.56m。即臨界穩(wěn)定高度為4.56m，其上部分的煤壁容易發(fā)生煤壁片幫，為實現(xiàn)順利回采，護幫高度至少達到2.4m，超大采高綜采支架一般采用三級護幫，護幫總長度可達3500mm，滿足護幫要求。

2.煤壁片幫強度分析

通過實驗和分析得出，煤壁片幫規(guī)模和支承壓力分布情況，7m割煤高度時煤壁相對穩(wěn)定高度在4.5m左右，該范圍內(nèi)發(fā)生輕微片幫，片幫深度在0.5m以內(nèi)；4m割煤高度下僅在煤壁發(fā)生輕微片幫，片幫規(guī)模較小。7m割煤高度時超前支承壓力的峰值區(qū)域在工作面煤壁前方5m處，割煤高度4m時，支承壓力峰值區(qū)域在工作面煤壁前方2m處。表明在實際生產(chǎn)過程中應加強對4.5m以上部分煤壁的加固，并采取有針對性的措施，確保超大采高綜采的順利實現(xiàn)。

四、結論

1.根據(jù)煤層及頂?shù)装鍑鷰r微觀組分及結構分析，大海則2#煤層頂板主要為泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖為主，能夠做到隨采隨冒；2#煤層底板為粉砂巖的占比較高，強度中等，有利于支架的快速推移，但井田局部區(qū)域泥巖組分含量較高，需防止底鼓危險。

2.分析得到深部超大采高綜采成功的關鍵因素為煤壁的穩(wěn)定性，其核心是煤層強度和裂隙發(fā)育程度，2#煤層強度偏低，屬于軟煤，工作面開采時需采取足夠的防片幫措施。

3.理論分析表明，2#煤層采用超大采高綜采預計會發(fā)生煤壁片幫，但限定于煤壁4.56m以上區(qū)域，該位置需要采取護幫等措施，數(shù)值分析結果也表明，2#煤層煤體穩(wěn)定高度在4.5m左右，其上部分容易片幫，片幫深度可達1m，片幫區(qū)域會呈現(xiàn)三角形整體滑落狀態(tài)破壞。

4.綜合分析表明，2#煤層若采用超大采高綜采，支架護幫長度應在2.4m及以上，并需采取局部化學加固、工作面快速推移等綜合措施，以利于工作面的安全、高效開采。

（作者單位：中煤陜西榆林能源化工有限公司）

（責任編輯：周瓊）