復合頂板不穩定煤層開采技術研究

薛建貴

(開灤(集團)蔚州礦業有限責任公司,河北張家口 075700)

復合頂板不穩定煤層開采技術研究

薛建貴

(開灤(集團)蔚州礦業有限責任公司,河北張家口 075700)

隨著時代的不斷發展,我國許多行業在生產過程中都需要煤炭的支持。目前國內大部分煤區的地表煤炭均被開采完畢,所以煤炭的開采需要向更深的地下發展。煤炭開采是一項風險極高的工作,稍有不慎便會造成煤礦開采事故。本文通過分析理論、結合計算機模擬施工以及對施工進行現場監測等方式,對復合頂板不穩定煤層開采技術進行研究。

復合頂板 不穩定煤層 不穩定煤層開采 復合頂板開采技術

1 不穩定煤層開采方法研究

1.1 緩傾斜不穩定煤層開采概述

不穩定煤層概述：所謂不穩定煤層，指煤層厚度變化比較大并且沒有明顯規律性，煤層結構十分復雜的這一類煤層可以稱之為不穩定煤層。在實際生產過程中，施工人員需要將厚度、傾斜角、夾矸厚度以及煤層層數變化大，煤層產生斷層、褶曲、火成巖侵入情況嚴重，可開采性不穩定的煤層，可以統一稱之為不穩定煤層。

1.2 緩傾斜不穩定煤層開采方法

因為不穩定煤層的地質條件十分復雜，所以在開采過程中會遇到許多難題，開采中所使用的開采方法必須要滿足當地地質環境，目前常用的開采方法主要包括高檔開采；懸移支架采煤發、單體支柱炮采等手法。下文將主要對懸移支架開采法進行詳細分析。

懸移支架就是指懸疑頂梁液壓支架，屬于一種過渡支架。該支架與單體型液壓支柱相比較，懸疑支架實現了機械化，并且減少了支護工作的工作量，從而減少支護工人體力付出。懸移支架和自動移動液壓支架相比較，價格更為低廉。懸移支架經過長時間實踐和研究，不僅可以解決不穩定較厚煤層在開采時合理分層比較困難、煤炭回收效率較低的問題，同時也提高了單產量，從側面降低了巷道的掘進率、也降低了煤的成本，提高了回采的功效。

懸移支架的開采方式打破傳統走向的長壁開采巷道的布置方式，采取傾向長壁采掘巷道布置方式，沿著底板準備切眼，并且將工作面沿著底板進行推進。鋪頂網放些頂煤，與沿頂推進走向長壁的采煤方法相比，徹底實現了一次性采全高，而且提高了煤炭資源的回收效率，具有單產量較高、工作效率高、可回采率高以及事故發生概率低等特點，所以說，懸移支架采煤方法特別適合用于煤層厚度變化較大，地質條件十分復雜的緩傾斜厚煤層開采。

2 回采工作面切眼支護設計

2.1 切眼錨桿支護設計理論

圖1

支護理論主要包括懸吊理論、組合梁理論等，其中懸吊理論認為，錨桿支護作用簡單來說，即為將巷道頂板軟弱巖層懸吊在上部穩定的巖石層上，達到增強軟弱巖層穩定性的目的。回采工作面切眼會時常遭遇到層狀的巖體，所以在巷道開始挖掘以后，直接頂將會逐漸彎曲、變形，最終與老頂分離。如果直接對錨桿進行擠壓，并且將其懸掛在老頂上，就可以起到限制直接頂下沉以及離層的作用，以此達到支護目的。

2.2 回采工作面切眼支護設計及流程(以西細莊礦巖石為例)

切眼設計參數為：矩形斷面，假設切眼寬度為3米，高度為2.0米，并且煤層的平均厚度為2.2米，切眼沿著底板進行掘進。在掘進過程中，統計單項抗拉強度、單項抗壓強度、彈性模量、泊松比例、凝聚力以及內摩擦角的相關數值，并結合這部分數據找出回采切眼支護設計流程存在的規律。

3 開采數值模擬以及圍巖規律分析

3.1 巖石破裂分析系統RFPA簡介

RFPA這一系統，為創造模型提供了初始條件，并且為模型的構造方式以及處理數據提供了可能。RFPA操作系統平臺通常在windows98/NT的操作系統下運作，并且RFPA平臺是一個多文檔系統，可以同時建設以及打開很多工作區，進而對一個或者多個巖土工程進行模擬構造。具體操作平臺設計模型如下圖1所示。

3.2 數值計算模型計算方案

數值計算主要包括下述幾方面內容：①在進行煤層開采的時候，頂板移動規律。②老頂的初次來壓步距、周期來壓步距。③煤層開采的時候，礦壓顯現出的規律。

3.3 煤層開采數值計算

模擬開挖本質上就是模擬開采的過程，開挖的每一步，均代表一次采煤。筆者模擬計算100步，從第二部開始表示挖掘，開挖的步距控制在一米，總計開采99米。模擬設備在計算過程中進行執行分步的開挖功能，每進行一次開挖，模型將會自動算一步。在最后，將單元破壞移動過程中，通過彈模圖或應用力的方式顯示出來。

隨著工作面不斷推進，老頂懸露跨度將會逐漸增大，媒體的支承壓力也會不斷增加。在煤層成功采出后，圍巖的應力會發生重新分布以及重新調整的情況，經試驗證明，工作面頂板上的預應力在12m.25m.46m三個階段，隨著工作面的推進程度不斷加深，在工作面上會形成應力降低區，并且應力值會越來越小。但是在工作面前方以及工作面后方，應力值均有不同程度提升，而且越來越大，應力較為集中，并且應力集中的系數也會隨著頂板的懸露長度而增大。在老頂的雙支點上的巖梁跨距到了受力臨界點時，會因為放炮的神東或者一次采動的影響，打破巖體受力平衡。此時，垮落下來的巖體中的一部分，會觸矸得到支撐并且形成新力平衡，此時距離切頂線約為10米范圍之內的巖體上承載的所有壓力都會通過懸露巖梁傳遞到工作支架一次煤壁上，工作面承受初次來壓。

回采工作繼續推進的時候，因為老頂不能有效咬合而產生的一系列影響便會隨之而來，在進行一段距離推進之后，老頂會被工作面甩在后方，此時工作面將在老頂懸臂的保護之下運行，恢復到原有狀態。工作面繼續推進，內部頂板將會發生周期性的階梯狀折斷現象，并且垮落周期為步距24m。

4 結語

通過總結自身工作經驗，并且結合國內外相關資料，從不穩定煤層開采方法、回采巷道支護設計、開采數值模擬以及圍巖規律分析這三大點進行論述，并且針對目前比較常用的懸移支架及其工作原理進行了詳細分析，簡單敘述了復合頂板不穩定煤層開采技術。

薛建貴(1986年4月—),籍貫:蔚縣,采煤助理工程師,2012年1月畢業于中國礦業大學,函授采礦工程,從事生產技術管理工作。