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        復(fù)雜條件下回采工作面煤壁失穩(wěn)機理與控制技術(shù)研究

        2019-09-09 07:09:32
        煤礦現(xiàn)代化 2019年6期
        關(guān)鍵詞:初撐力煤壁煤體

        張 釗

        (山西平舒煤業(yè)有限公司 ,山西 壽陽 045400)

        0 引 言

        隨著我國煤炭資源的不斷開采,賦存條件好的煤層不斷減少,煤層開采的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜,工作面經(jīng)常出現(xiàn)起伏不平的狀況,也就是仰斜開采和俯斜開采。目前國內(nèi)外學(xué)者對俯仰斜開采展開研究:馬文頂,劉長友等[1]認(rèn)為仰斜開采的仰斜角越大,頂板水平位移量越大,初撐力越小,頂板越容易斷裂失穩(wěn),必須提高支架的初撐力,才能保證煤壁頂板的穩(wěn)定性;周健等[2]認(rèn)為俯仰斜開采時煤壁有三種破壞形式,巖塊破壞、結(jié)構(gòu)面破壞、兩者同時破壞,以及仰斜開采易使煤壁失穩(wěn),俯斜開采易保持煤壁穩(wěn)定性。本文主要針對8102工作面的煤壁片幫的具體情況,對俯仰采工作面煤壁失穩(wěn)機理進(jìn)行分析研究,確定煤壁穩(wěn)定性控制措施,為相似工程情況提參考和指導(dǎo)作用。

        1 工程概況

        某礦8102工作面,位于-600m水平北一采區(qū),工作面傾斜長度為156.5m,走向長度為623.8m,主采8#煤層,煤層均厚4.1m,直接頂為泥巖,均厚7.46m;基本頂為厚細(xì)砂巖,均厚4.8m;直接底為泥巖,均厚6.58m;老底為細(xì)砂巖,均厚3.24m,屬軟弱煤層,煤層平均傾角5°。由于煤層松軟,節(jié)理裂隙較發(fā)育,工作面起伏不平,局部片幫深度超過1.8m,嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全,急需采取有效措施控制煤壁失穩(wěn)。

        2 煤壁失穩(wěn)機理

        根據(jù)現(xiàn)有研究成果,工作面煤壁失穩(wěn)破壞及工作面超前支承壓力的分布特征,受開采角度和推進(jìn)方向影響較大[3]。工作面煤壁至超前支撐壓力峰值點的距離和其峰值的大小,使不同角度工作面煤壁前方支撐力產(chǎn)生差異。

        圖1 水平工作面與俯仰斜工作面的支承壓力分布特點

        圖1 為其他開采條件相同時,俯仰斜工作面及水平工作面煤壁支承壓力的分布情況。圖中,γ為上覆巖層平均容重,kN·m-3;α為俯仰斜角度,°;M為工作面采高,m;H 為工作面埋深,m;k1、k2、k3為支承壓力集中系數(shù)。

        假設(shè)在水平工作面中,煤壁至超前支承壓力峰值點的距離為l0。計算可得,俯仰斜工作面煤壁至超前支承壓力峰值點的距離l1、l2分別為[4]:

        由圖1及式(1)可知:①煤壁超前支承壓力峰值點至煤壁的距離大小順序為:俯斜開采>水平開采>仰斜開采;②俯斜開采時,峰值點朝著煤體側(cè)內(nèi)移,且α角越大,內(nèi)移越明顯;仰斜開采時,峰值點朝著煤體采空側(cè)外移,且α角越大,外移越明顯。超前支承壓力峰值點的外移加劇煤壁的失穩(wěn)破壞,內(nèi)移有助于煤壁的穩(wěn)定;③俯采段煤壁未發(fā)生明顯片幫現(xiàn)象,穩(wěn)定性較好;仰采段易發(fā)生片幫現(xiàn)象,穩(wěn)定性較差。綜上,通過俯仰斜工作面支撐壓力特點,分析了煤壁失穩(wěn)機理,為復(fù)雜條件下回采工作面煤壁穩(wěn)定性的控制技術(shù)提供了理論依據(jù)。

        3 工作面煤壁穩(wěn)定性控制及效果

        3.1 煤壁支承壓力分布特點

        根據(jù)8102工作面實際情況,運用UDEC數(shù)值模擬軟件對不同角度煤層上方支撐力進(jìn)行計算,選取煤層傾角為0°、±15°、±30°時煤壁上方支承壓力進(jìn)行對比研究分析,得到不同開采角度下支承壓力峰值距工作面煤壁距離變化曲線,如圖2所示。

        圖2 不同開采角度下支承壓力峰值距工作面煤壁距離變化曲線

        從圖中可以看出:當(dāng)工作面傾斜角度由-30°變化到30°(即由仰采變化到俯采)時,支承壓力峰值位置逐漸遠(yuǎn)離工作面煤壁。也就是說,仰采時工作面支承壓力峰值位置向采空區(qū)外移,易使煤壁發(fā)生片幫,且仰斜角度越大,煤壁越容易失穩(wěn);俯采時工作面支承壓力峰值位置向煤體側(cè)內(nèi)移,煤壁穩(wěn)定性較好。所以,盡量避免大角度仰斜開采,宜采用俯斜開采。

        3.2 支承壓力影響范圍實測

        煤壁穩(wěn)定性與工作面超前支承壓力密切相關(guān),可以通過巷道表面位移來反應(yīng)工作面超前支承壓力分布規(guī)律。由此對8102工作面運輸巷和回風(fēng)巷表面位移進(jìn)行監(jiān)測,并對運輸巷結(jié)果進(jìn)行出圖分析,如圖3所示。

        圖3 運輸巷表面位移觀測結(jié)果

        由監(jiān)測結(jié)果可知,運輸巷和回風(fēng)巷曲線變化規(guī)律相近,對兩巷累積表面位移規(guī)律進(jìn)歸納后,可分為三個階段:劇烈期、過渡期、平緩期。在對位移觀測結(jié)果進(jìn)行分析時,考慮到巷道存在一定范圍的自變形,所以20mm內(nèi)的變形量不計入支承力影響范圍內(nèi)。9~27m內(nèi):劇烈期,工作面超前支承壓力對此區(qū)域影響較大;4~7m內(nèi):過渡區(qū),此區(qū)域為平緩期到劇烈期的過渡區(qū);68~90m內(nèi):平緩期,工作面超前支承壓力對此區(qū)域影響較小。通過對8102運輸巷和回風(fēng)巷表面位移的觀測,確定了超前支承壓力的影響較大區(qū)域為 9~27m。

        3.3 工作面支架初撐力分析

        現(xiàn)場觀測后,初步認(rèn)為8102工作面嚴(yán)重片幫的主要原因是支架的初撐力不足[5]。因此,對8102工作面內(nèi)49#~130#液壓支架初撐力持續(xù)監(jiān)測49天,并將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,繪出相應(yīng)的頻率直方圖如圖4所示。

        1)由圖3可知,支架初撐力主要分布范圍在15~30MPa,20MPa以上的占50.9%,而30MPa以上的僅占0.2%。該礦設(shè)計要求的合理初撐力為24MPa,實際工作面初撐力達(dá)到該值的僅占總量的20%左右,遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計要求,導(dǎo)致工作面頂板下沉量大,片幫嚴(yán)重。

        圖4 支架初撐力統(tǒng)計直方圖

        2)在監(jiān)測的液壓支架范圍中,45#和50#上部支架初撐力數(shù)值較小,且分布較均勻。初撐力在20 MPa以上的占36.8%,而25 MPa以上的僅占18.4%,上部煤壁片幫深度達(dá)0.6 m~1.5 m,片幫明顯;下部初撐力在20 MPa以上的占54.7%,而25 MPa以上的也僅占19.5%。對比可知,支架下部初撐力偏大,導(dǎo)致煤壁片幫數(shù)量較少,但是仍存在一定數(shù)量的片幫,支架初撐力有待改進(jìn)。

        3.4 煤壁穩(wěn)定性控制措施

        針對8102工作面煤壁失穩(wěn)狀況,結(jié)合上述理論分析,對工作面采取的控制方法如下:

        1)支架控制措施。改善支架初撐力,保證支架的初撐力>20 MPa,同時加大對支架質(zhì)量的監(jiān)測力度,確保支架結(jié)構(gòu)對煤壁提供足夠的初撐力。

        2)盡量避免大角度仰采。仰采時工作面前方煤體頂板巖層支撐力指向采空區(qū),易使煤壁發(fā)生片幫,且仰斜角度越大,煤壁越容易失穩(wěn)。

        3)煤壁采取提前松幫措施。當(dāng)有大塊煤體滑落,煤壁片幫嚴(yán)重時,需對煤壁采取提前松幫措施,當(dāng)采煤機割到煤層節(jié)理發(fā)育等容易發(fā)生片幫的地方,應(yīng)提前往返收合幾下支架護幫板,讓軟弱煤壁提前片下,防止因大面積片幫而引起的機械損壞和人員傷亡。

        4)對煤體采取超前注漿措施。8102工作面煤層較松軟,可針對松散破碎煤體及薄弱位置采取超前注漿加固措施,提高煤壁穩(wěn)定性。

        5)分區(qū)段控制措施。由第2章煤壁失穩(wěn)機理,仰采段易發(fā)生片幫現(xiàn)象,穩(wěn)定性較差;俯采段煤壁未發(fā)生明顯片幫現(xiàn)象,穩(wěn)定性較好。因此,針對仰采階段煤壁失穩(wěn)情況,可對煤體采用木錨桿、玻璃鋼對煤壁的上部等軟弱位置進(jìn)行加強支護;也可采取超前注漿加固措施。

        6)加強礦壓監(jiān)測預(yù)報。不僅對煤壁礦壓進(jìn)行實時監(jiān)測,也要對工作面頂板礦壓持續(xù)監(jiān)測,從而對工作面頂板來壓進(jìn)行預(yù)測,及時采取防范措施,如確保支架穩(wěn)定性、適當(dāng)降低采高等,保障工作面煤壁的穩(wěn)定性。

        3.5 加固煤壁效果分析

        通過對8102工作面煤壁采取上述穩(wěn)定性控制措施方案后,提升了煤壁的整體穩(wěn)定性,根據(jù)現(xiàn)場觀測知,加固后的工作面煤壁在回采推進(jìn)時,基本無煤壁片幫現(xiàn)象的出現(xiàn),工作面回采期間煤壁的破壞得到了有效的控制。

        4 結(jié) 論

        針對8102工作面回采期間出現(xiàn)的煤壁片幫現(xiàn)象,首先分析了俯仰開采的支撐壓力特點,得出了煤壁失穩(wěn)機理,然后通過UDEC數(shù)值模擬軟件對不同角度的支撐力分布特征進(jìn)行模擬,并結(jié)合現(xiàn)場實測確定超前支承壓力影響范圍及液壓支架初撐力的大小,再根據(jù)工作面實際情況對煤壁控制措施進(jìn)行具體設(shè)計。在對8102工作面采取穩(wěn)定性控制措施方案后,工作面回采期間基本無片幫現(xiàn)象出現(xiàn),有效提高了煤壁穩(wěn)定性。

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