武永剛

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦，山西 古交 030206）

引言

我國蘊藏煤炭資源的地域分布廣泛，煤炭所存儲地域的地質條件、煤層條件復雜，為保證各地域煤礦的安全開采，保證煤礦的資源利用率、回采率和服役年限，采用合理、有效的巷道支護方式尤為重要。對于大傾角煤層而言，制約其生產效率的主要因素為對頂板管理不到位。因此，針對大傾角綜采工作面掌握礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并根據(jù)液壓支架的運行狀態(tài)，合理確定煤層區(qū)段保護煤柱的參數(shù)對于高效、安全生產具有重要意義[1]。本文將重點對32147 工作面的液壓支架運行狀態(tài)進行分析，并完成保護煤柱參數(shù)的優(yōu)化研究。

1 大傾角煤層工作面采煤方法選擇及礦壓規(guī)律分析

本文將對適用于大傾角煤層采煤方法進行概述，分析大傾角煤層工作面開采時存在的技術難點和可采用的頂板控制技術。結合32147 工作面的實際情況對其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行分析，為后續(xù)液壓支架工作狀態(tài)的分析奠定基礎。

1.1 適用大傾角工作面的采煤方法

本文所研究32147 綜采工作面煤層的平均傾角為35°，屬于大傾角綜采工作面；而且該綜采工作面地質條件復雜，各階段斷裂構造的差別較明顯，頂板管理困難；同時，工作面的褶皺構造的長度也存在明顯的差異。上述問題均為大傾角綜采工作面開采時的難點。

為保證大傾角綜采工作面的安全開采需對頂板進行有效管理，包括在正常時期、特殊時期的管理。其中，特殊時間的頂板管理包括來壓及停采前的頂板控制、過斷層及頂板破碎帶頂板控制、片幫冒頂防治技術（防止片幫冒頂和處理片幫冒頂兩項舉措）。

結合32147 綜采工作面的開采難度和常規(guī)的頂板管理控制技術，適用于大傾角綜采工作面的開采技術包括有水力采煤方法、斜坡采煤方法、長孔爆破采煤法、偽斜柔性掩護支架采煤方法、急傾斜綜合機械化采煤方法和液壓支架放頂煤采煤方法[2]。

綜合對各種采煤方法對應的煤炭回收率、煤炭回采率、勞動優(yōu)勢以及綜采設備的優(yōu)勢，針對32147 綜采工作面的實際情況，將采用大傾角綜合機械化采煤方法對煤層進行開采。

1.2 大傾角工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

針對礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究，本節(jié)通過建立模型對其進行數(shù)值模擬研究。首先，需對現(xiàn)場巖層進行采樣，對其巖石力學性能進行測試，測試結果如表1 所示。

表1 32147 綜采工作面力學性能測試結果

結合上述參數(shù)搭建一個長度為100 m、高度為100 m 的數(shù)值模擬模型。本文重點研究內容為對液壓支架運行狀態(tài)分析和保護煤柱參數(shù)的優(yōu)化。因此，此處僅列出礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的分析結果：

1）由于32147 綜采工作面的底板比頂板的力學性能低，當初次來壓后，工作面的底板巖層首先出現(xiàn)破壞和底鼓的現(xiàn)象。

2）綜采工作面應力集中的位置主要處于煤壁前方8～12 m。

3）32147 綜采工作面直接頂?shù)某醮慰迓洳骄酁?9.5 m，周期垮落步距為6.5 m；老頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?5.6 m，周期來壓的步距為14.24 m。

2 大傾角綜采工作面液壓支架運行狀態(tài)研究

為充分掌握工作面液壓支架的運行狀態(tài)，本節(jié)將通過設計監(jiān)測方案對液壓支架支護阻力頻率、整體平均受力情況進行分析。

2.1 監(jiān)測方案的設計

在工作面上順槽和下順槽分別設置4 個監(jiān)測點，其中，在上順槽主要對工作面的ZJ3600-11/23 型液壓支架進行監(jiān)測，監(jiān)測點包括28 號、29 號、30 號和31 號；在下順槽主要對工作面的ZZ6000 型液壓支架進行監(jiān)測，監(jiān)測點包括37 號、38 號、39 號和40 號。所選的監(jiān)測系統(tǒng)為KBJ-2004B 型礦用多功能監(jiān)測系統(tǒng)，并分別在上順槽和下順槽各布置一臺[3]。

2.2 運行狀態(tài)

對上、下順槽液壓支架運行監(jiān)測結果進行統(tǒng)計，并得出如表2 所示的監(jiān)測結果。

表2 液壓支架初撐力與末阻力監(jiān)測結果

分析可知：當前工作面所配套液壓支架的前柱和后柱的載荷不一致，平均呈現(xiàn)為前柱的工作阻力大于后柱，且前后柱的載荷比范圍在2～8.35 之間，波動范圍較大；此種情況極易導致單個液壓支架由于應力集中的情況而損壞。具體推算至實際生產中，所面臨的情況為工作面頂板直接頂直接破碎，從而導致液壓支架后部出現(xiàn)垮空的現(xiàn)象[4]。

3 大傾角煤層區(qū)段保護煤柱參數(shù)研究

鑒于當前液壓支架并未能夠對頂板進行有效管理，即在開采中存在一定的安全隱患。因此，需要對工作面煤柱寬度進行重新確定。為保證工作面巷道的穩(wěn)定性，需要綜合工作面的卸載松散區(qū)（破裂區(qū)）、塑性強化區(qū)（塑性區(qū)）、彈性變形區(qū)和原始應力區(qū)的情況。本節(jié)將通過理論計算和數(shù)值模擬的兩項手段綜合確定保護煤柱的寬度。

3.1 煤柱寬度計算

結合相關規(guī)范，大傾角工作面煤柱穩(wěn)定運行狀態(tài)所要求煤柱寬度B 的計算公式如式（1）所示：

式中：R 為工作面煤柱在巷道一側的塑性區(qū)域半徑，取1.5 m；m 為32147 綜采工作面的煤層厚度，取2.81 m；X0為工作面煤柱在巷道一側的塑性區(qū)寬度，取8.76 m。

將上述參數(shù)代入式（1）中，得出適用于大傾角綜采工作面的煤柱寬度范圍為13.07～15.88 m。

3.2 煤柱寬度的數(shù)值模擬分析

結合32147 綜采工作面的地質、煤層條件建立RFPA 模型，模型的長度為60 m、高度為75 m，分別對煤柱寬度為30 m、22 m、15 m 和12 m 的情況進行對比分析其對應巷道狀態(tài)對比如圖1 所示，并得出如下結論：

圖1 不同煤柱寬度對應巷道狀態(tài)對比

1）當煤柱寬度為30 m 和22 m 時，在綜采工作面和煤巷之間的護巷煤柱兩側均形成塑性變形區(qū)，巷道處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)。

2）當煤柱寬度為15 m 時，綜采工作面和煤巷之間的護巷煤柱兩側形成塑性變形強化區(qū)域和小部分的彈性區(qū)域。此時，巷道處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

3）當煤柱寬度為12 m 時，綜采工作面和煤巷之間的護巷煤柱兩側形成塑性變形強化區(qū)域和卸載松散區(qū)。此時，巷道處于非穩(wěn)定狀態(tài)[5]。

考慮到煤柱過寬容易造成煤炭資源浪費，結合理論計算結果，最終確定煤柱寬度為15 m。

4 結論

液壓支架作為綜采工作面的關鍵支護設備，其對頂板的管理效果直接影響煤礦的安全生產。本文重點對32147 綜采工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、液壓支架運行狀態(tài)進行分析，完成了保護煤柱寬度的綜合優(yōu)化確定，并總結如下：

1）2147 綜采工作面直接頂?shù)某醮慰迓洳骄酁?9.5 m，周期垮落步距為6.5 m；老頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?5.6 m，周期來壓的步距為14.24 m。

2）當前工作面所配套液壓支架的前柱和后柱的載荷不一致，此種情況極易導致單個液壓支架由于應力集中的情況而損壞，從而導致液壓支架后部出現(xiàn)垮空的現(xiàn)象。

3）綜合理論計算和數(shù)值模擬分析結果，綜合確定煤柱寬度為15 m。