王 斌

(霍州煤電集團 河津騰暉煤業(yè)有限責任公司， 山西 臨汾 042108)

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電騰暉煤業(yè)2-202工作面位于二采區(qū)巷道前進方向左翼，不存在上覆采空區(qū)，工作面煤層總厚(3.2～6.0)/5.6 m，煤層傾角0～2°，工作面沿煤層傾向布置，頂?shù)装鍘r層特征見表1，其中底板為鋁質(zhì)泥巖，抗壓強度為13.4 MPa，軟化系數(shù)0.15～0.30，屬于典型的軟弱巖層。2-202綜放工作面采用“邊割邊放”工藝，采煤機截深確定為800 mm，采高確定為3.1 m，放煤高度確定為2.5 m，采放比為1.24∶1，放煤步距800 mm. 2-202工作面為2-201工作面的生產(chǎn)接替工作面，2-201工作面回采期間，采場圍巖多次出現(xiàn)底鼓(底鼓量400～500 mm)、片幫垮落等現(xiàn)象，影響工作面生產(chǎn)效率并威脅礦井安全。

表1 2-202工作面頂?shù)装鍡l件表

2 采場圍巖控制機理分析

目前，軟底綜放工作面采場圍巖的有效控制仍是一個難題[1]，工作面回采期間，液壓支架后方形成采空區(qū)，頂板巖層自然垮落，基本頂斷裂后形成相互鉸接的巖梁，沿工作面推進方向取切面可簡化采場圍巖運移特征,見圖1. 采場圍巖主要通過液壓支架進行支撐，頂板巖層壓力由液壓支架和前方煤壁承載，當煤壁承受壓力過大時，將導致其出現(xiàn)片幫，在支架和煤壁的壓力作用下，底板發(fā)生壓曲變形，表面出現(xiàn)底鼓破壞現(xiàn)象，結合采場圍巖受力特征并參閱相關研究成果[2-4]，分析可得:

圖1 采場圍巖礦壓示意圖

1) 工作面片幫的主要影響因素。a) 煤體自身的物理力學性質(zhì)。煤壁發(fā)生片幫的內(nèi)在因素為煤體強度不足，無法支承上覆巖層的壓力，導致靠近自由變形面的煤體進入塑性破壞狀態(tài)。b) 支架工作狀態(tài)。支架初撐力對于煤壁承受的壓力具有重要影響，初撐力過低時，頂板下沉量會更大，頂板傳遞至煤壁的壓力將更大，煤體更容易達到強度臨界值；在工作面煤巖體物理力學參數(shù)不變的條件下，提高支架初撐力，改善支架工作狀態(tài)，可減小煤壁的支承壓力，進而降低煤壁的片幫概率。

2) 工作面底鼓影響因素。a) 底板巖層巖性。底板巖層的強度對于其底鼓特性具有決定性影響，當?shù)装鍙姸容^大時，能夠承受較大的壓力，底板就會相對穩(wěn)定，2-202工作面屬于典型的軟弱巖層，其強度低于煤層時，由于壓模效應導致底板底鼓破壞。b) 液壓支架工作狀態(tài)。采場“支架—圍巖”系統(tǒng)中，液壓支架下部通過千斤頂與刮板輸送機、采煤機連接為一個整體，對于底板形成整體載荷，支架初撐力越大，低于底板向下的載荷越大，起到抑制底板底鼓的效果。

綜上分析可知，可嘗試通過提高液壓支架初撐力、留底煤來抑制工作面的底鼓、片幫破壞。

3 初撐力和底煤厚度對圍巖控制效果模擬分析

3.1 初撐力對底鼓控制效果模擬研究

2-202采煤工作面高度為2.5 m，液壓支架支承頂板長度約為8 m，為探究不同支架初撐力對于工作面礦壓顯現(xiàn)的影響規(guī)律，結合其實際生產(chǎn)條件，通過FLAC3D軟件建立數(shù)值計算模型，為保證工作面不受模型兩側邊界的影響，取模型長、寬、高分別為300 m、280 m、120 m. 2-202工作面沿模型Y軸方向布置，長度200 m，沿X軸推進，后方共采空150 m，采空區(qū)采用大變形模型，兩側回采順槽矩形斷面寬、高分別為5.5 m、3.5 m，設計工作面液壓支架初撐力為4 000～8 000 kN，每1 000 kN為一個變化梯度，模型計算平衡后，沿其長度方向中部取豎直界面，觀察工作面圍巖豎直方向位移量，圖2為不留底煤支架不同初撐力條件下采場圍巖垂直位移模擬結果。

由圖2a)可看出，在上覆巖層垂直方向應力作用下，工作面煤壁下方底板下沉約50 mm，液壓支架支腿下方區(qū)域底板下沉約28 mm，底板巖層在擠壓作用下在支架前方支護阻力空缺處產(chǎn)生底鼓變形，距煤壁2.0 m附近底鼓量最大達到448 mm. 說明所設計的模擬方案較接近工作面真實情況，所得的模擬結果具有較大的參考價值。

圖2 不同初撐力條件下采場圍巖垂直位移模擬結果圖

對比分析不同支架初撐力條件下最大底鼓量(圖3)可以發(fā)現(xiàn)，隨著液壓支架初撐力的增大，工作面底鼓量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，支架初撐力的提高能夠一定程度上抑制工作面底板向上滑移運動，初撐力由4 000 kN增至8 000 kN增大100%，底鼓量減小幅度僅為22.1%，初撐力由7 000 kN增大至8 000 kN，底鼓量減小最為顯著，初撐力達到8 000 kN，底鼓量最大值為349 mm，底鼓量仍較大，仍不能滿足工作面的正常推進。由此說明僅通過提高支架初撐力無法解決軟巖底板過度底鼓變形的問題。

圖3 不同支架初撐力下最大底鼓量圖

3.2 留底煤厚度對底鼓控制效果模擬研究

為考察留底煤開采對于工作面礦壓規(guī)律的影響，采用上述數(shù)值模擬，分別模擬留底煤厚度為0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m條件下，液壓支架初撐力為4 000 kN、5 000 kN、6 000 kN、7 000 kN、8 000 kN條件下工作面垂直位移變化規(guī)律。以支架初撐力為8 000 kN為例，不同底煤厚度條件下工作面垂直位移模擬結果見圖4. 由圖4可以看出，留底煤后，工作面圍巖整體變化規(guī)律和不留底煤無明顯的差異，煤壁下方底板下沉 25 mm，支架底座底板下沉27 mm，相較于無底煤條件下分別減小19 mm和2 mm，底鼓量最大值為238 mm，相較于無底煤條件下底鼓量減小幅度為31.8%，通過留設底煤可進一步減小底鼓量。根據(jù)圖4b)、c)、d)可知，底板最大底鼓量分別為89 mm、154 mm、143 mm，較無底煤條件下分別減小74.5%、55.9%，59.0%. 由此表明，底鼓量并不是隨著留設底煤厚度增大而一直減小，當?shù)酌汉穸葹?.4 m時，底鼓量最小，且能夠滿足工作面正常推進的要求。

圖4 不同底煤厚度工作面垂直位移模擬結果圖

4 2-202工作面礦壓控制技術

4.1 礦壓控制技術應用

結合模擬研究成果，設計工作面來壓期間圍巖控制技術：1) 將液壓支架初撐力由6 000 kN提高為8 000 kN，以減小頂板來壓時支架下縮量，減小煤壁承受壓力，降低煤壁片幫概率。工作面所用放頂煤液壓支架型號為ZF-10000/24/36 型，最大工作阻力為10 000 kN. 2) 留設0.4 m底煤。通過留設底煤改變工作面直接底的巖性和力學性質(zhì)，同時避免軟巖底板遇水膨脹變形，提高支架下部煤巖體的承載能力，防止過度底鼓現(xiàn)象。由2-202工作面應用留底煤、提高初撐力方案后周期來壓期間采場圍巖實際情況可以看出，工作面煤壁光潔平整，底板完整性良好。

4.2 底鼓控制效果分析

對2-202工作面回采初期和礦壓控制技術應用后底板變形情況進行觀測，監(jiān)測結果見圖5. 未采取措施時，工作面周期來壓期間，底鼓量持續(xù)增大，達290～310 mm，影響工作面正常推進；采用留底煤、提高初撐力措施后，工作面周期來壓期間，底鼓量輕微增大，最大底鼓量保持在100 mm以下，不影響工作面正常推進。

圖5 工作面底鼓量監(jiān)測結果圖

5 結 語

根據(jù)騰暉煤業(yè)2-202工作面地質(zhì)條件，通過理論分析確定影響其圍巖穩(wěn)定性的因素，通過數(shù)值模擬研究支架初撐力和留底煤厚度對工作面圍巖穩(wěn)定性的影響，提高液壓支架初撐力可減小底鼓量，留底煤厚度為0.4 m時底鼓量最小。2-202工作面圍巖控制技術應用實踐結果表明，工作面周期來壓期間煤壁完整，無明顯底鼓變形，實現(xiàn)了軟底厚煤層綜放工作面高效生產(chǎn)。