溫大江
(國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司哈拉溝煤礦 陜西榆林 719315)
厚煤層儲(chǔ)量和產(chǎn)量占我國(guó)煤炭開采的45%,作為主采煤層,其安全高效開采具有重要意義[1]。我國(guó)中西部厚煤層開采具有采高大、埋深淺、工作面尺寸大等特點(diǎn),其覆巖活動(dòng)規(guī)律和采場(chǎng)控制具有特殊性[2],工作面常會(huì)發(fā)生支架活柱急劇下縮甚至壓架等動(dòng)載礦壓災(zāi)害事故,嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)[3]。針對(duì)淺埋厚煤層開采課題,專家學(xué)者進(jìn)行了廣泛研究,主要集中在開采覆巖裂隙發(fā)育和采場(chǎng)應(yīng)力分布方面[4]。由于一次采出空間大、推進(jìn)速度快等采場(chǎng)環(huán)境,淺埋大采高工作面頂板破斷特征和采場(chǎng)控制需要進(jìn)一步研究,來(lái)提高開采的安全高效。
本文以某礦22520 綜采面為研究對(duì)象,針對(duì)典型的淺埋厚煤層開采條件,采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬和理論分析方法研究覆巖破斷特征和應(yīng)力演化,得到該條件下開采采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律并提出協(xié)同控制措施,為類似條件煤層安全高效開采提供指導(dǎo)。
該礦22520 綜采面位于22 煤五盤區(qū),走向長(zhǎng)度4 001 m,傾向長(zhǎng)度為280.8 m。工作面南西為22519綜采面采空區(qū),與采空區(qū)間有15 m 的煤柱,北西為井田邊界、北東為備采面22521 綜采面,東南為22 煤中央輔運(yùn)大巷,工作面與中央輔運(yùn)大巷間留有128.6 m~304.8 m 煤柱。22 煤層埋深 66 m~149 m,平均厚度5.42 m,煤層傾角1°~3°?;卷敒槭㈤L(zhǎng)石,平均厚度12.36 m,灰白色,抗壓強(qiáng)度57.8 MPa;直接頂為粉砂巖,淺灰色,平均厚度0.95 m,抗壓強(qiáng)度33.4 MPa;直接底為泥巖,灰黑色,平均厚度6.6 m。
采用綜采一次采全高采煤法,全部垮落法管理采空區(qū)頂板,采高5.3 m,循環(huán)進(jìn)尺0.865 m。工作面選用EKF SL1000/6.3m/6557型采煤機(jī)、德國(guó)DBT 3×1000的刮板輸送機(jī)及配套的525 kW 轉(zhuǎn)載機(jī)、525 kW 破碎機(jī)各一臺(tái),配備英國(guó)RMI 公司生產(chǎn)的乳化液泵及噴霧泵,乳化液泵為四泵兩箱,功率為4×280 kW,流量為430 L/min;噴霧泵為三泵一箱,功率為3×112 kW,流量為423 L/min。
選用UDEC 軟件建立淺埋厚煤層開采采場(chǎng)模型,采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則[5]。模型尺寸200 m×50 m,兩邊各留50 m 邊界煤柱,底部及左右兩側(cè)為位移邊界,上部施加2.5 MPa均布載荷。
開挖得到不同推進(jìn)距離處覆巖垮落運(yùn)移規(guī)律,推進(jìn)15 m、25 m、35 m、45 m時(shí)覆巖破斷結(jié)構(gòu)演化圖如圖1所示。
圖1 采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)演化
由圖1 可知,由于采高大,采空區(qū)不能被有效充填,直接頂和基本頂破斷垮落后出現(xiàn)大幅下沉。當(dāng)推進(jìn)15 m 時(shí)(圖1a),直接頂出現(xiàn)彎曲下沉但未破斷;工作面推進(jìn)25 m 時(shí)(圖1b),直接頂初次破斷,跨落后充填于采空區(qū)內(nèi),此時(shí)采空區(qū)未被充滿。當(dāng)工作面推進(jìn)35 m 時(shí)(圖1c),基本頂初次破斷垮落,形成砌體梁結(jié)構(gòu),工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈,工作面出現(xiàn)明顯下沉;工作面繼續(xù)推進(jìn)(圖1d),直接頂和基本頂?shù)闹芷谛钥迓洹?/p>
圖2 工作面超前支承壓力分布圖
工作面超前支承壓力變化見圖2,由圖2 可知,工作面頂板超前支承壓力影響范圍約為45 m~50 m,受支承壓力劇烈影響長(zhǎng)度最小距離為4.34 m,最大長(zhǎng)度為22.78 m,平均為17 m。工作面回采50 m時(shí),采空區(qū)出現(xiàn)高應(yīng)力值點(diǎn),當(dāng)工作面回采時(shí),采空區(qū)垮落巖層逐步壓實(shí),工作面上覆巖層壓力逐漸向采空區(qū)轉(zhuǎn)移。
由圖3 分析可知,超前支承壓力峰值隨推進(jìn)而逐漸增大,超前支承壓力峰值最大為17.50 MPa,最小為10.36 MPa,平均值為14.96 MPa;應(yīng)力集中系數(shù)最大為2.19,最小為1.30,平均值為1.87。
(1)所需支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算(經(jīng)驗(yàn)公式)[6]
P=9.8khrkN/m2
式中:P—工作面合理的支護(hù)強(qiáng)度,kN/m2;
h—采高為5.3 m;
r—上覆巖層容重平均2.31 t/m3;
k—支護(hù)上覆巖層厚度與采高之比,一般為4~8,取7倍計(jì)算[6],則:
P=9.8×7×5.3×2.31=840(kN/m2)=0.84 MPa
(2)所需支護(hù)阻力驗(yàn)算
工作阻力應(yīng)滿足頂板支護(hù)強(qiáng)度要求,即支架工作阻力由支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)面積所決定[6]。
式中F—支架所需工作阻力;kN
q—工作面最大支護(hù)強(qiáng)度,取0.9 MPa;
S—支架的支護(hù)面積,m2。
式中L—支架頂梁長(zhǎng)度,4.49 m;
C—端面距,0.660 m;
B—截深,0.865 m;
b—支架中心距,1.75 m;
K1—架間距,0.05 m。
F=0.9×6.015×1.8×103=9744.3 kN
選用鄭煤ZY10800/28/63 二柱掩護(hù)式液壓支架,配套支架工作阻力分別為10 800 kN,基本滿足要求。
據(jù)測(cè)22520工作面距切眼213.5 m~1151.7 m區(qū)域上覆為12204、12202、12201采空區(qū)、空巷及順槽煤柱,上述工作面均采用大采高一次采全高工藝,回采的12煤平均厚度2 m,工作面區(qū)段煤柱寬度15 m。上覆采空區(qū)與22520工作面層間距21.8 m~28.2 m,影響推進(jìn)距離938.2 m。過(guò)上覆采空區(qū)集中煤柱期間可能會(huì)出現(xiàn)動(dòng)載礦壓壓架、涌水增大、氣體異常等隱患,需編制專項(xiàng)安全技術(shù)措施,采取協(xié)同控制措施。
在22520工作面中部145 m處布置測(cè)點(diǎn),對(duì)回采期間礦壓顯現(xiàn)及支架工作狀況進(jìn)行檢測(cè),得到如圖4所示工作阻力變化。
圖4 支架工作阻力變化
如圖4 所示,在工作面回采140 m 的過(guò)程中,工作面共經(jīng)歷8 次來(lái)壓,來(lái)壓步距最大為16 m,最小為9.6 m,平均為11.9 m;工作面來(lái)壓時(shí)的影響范圍為0.8 m~3.2 m,平均影響范圍為2.0 m;工作面平均動(dòng)載系數(shù)為1.29,來(lái)壓期間支架最大工作阻力為9 804.88 kN,平均工作阻力為8 341.52 kN,分別占額定工作阻力的90.7%和77.2%,表明來(lái)壓期間工作面支架支護(hù)能力好,支架工作阻力的富余量較大。
圖5 22520工作面液壓支架的工作特性
對(duì)圖5支架工作特性分析,22520工作面液壓支架主要處于增阻和恒阻的狀態(tài),頻率分別為52.42%和20.16%,這表明液壓支架運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)良好,能夠較好的適應(yīng)淺埋厚煤層地質(zhì)條件。
(1)淺埋厚煤層開采,采空區(qū)空間大,超前支承壓力峰值最大為17.5 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)最大為2.19,礦壓顯現(xiàn)劇烈。
(2)通過(guò)強(qiáng)度驗(yàn)算,選用ZY10800/28/63 掩護(hù)式液壓支架,來(lái)壓期間支架最大工作阻力為9 804.88 kN,處于增阻和恒阻的頻率分別為52.42%和20.16%,表明工作面支架支護(hù)能力好。
(3)過(guò)上覆采空區(qū)集中煤柱期間可能出現(xiàn)動(dòng)載礦壓壓架、涌水增大、氣體異常等隱患,提出協(xié)同控制方法,有效控制了頂板。