8112 工作面礦壓顯現規律與綜采工藝研究

岳志高

（晉能控股集團地煤大同有限公司，山西 大同 037000）

1 概況

地煤大同有限公司8112 工作面地質結構簡單，煤層厚度為4.1～11.6 m，平均厚度8.2 m，煤層最大傾角為13.6°，主采煤層普氏硬度為1.6～2.0。煤層直接頂主要為灰黑色泥巖，平均厚度6.2 m；基本頂主要為灰白色水平層理細砂巖，硬度高，普氏硬度為5.8。8112 工作面煤層厚度大，采用綜采放頂煤采煤工藝不僅綜采效率低，還存在瓦斯防控措施復雜以及綜采工藝復雜等問題。結合8112 工作面煤層和頂底板硬度高、結構穩定的特點，進行了大采高綜采工藝研究與應用，既可以提升綜采效率，同時還具有工作面布置簡單、采出率高等優勢[1-2]，對進一步提升地煤大同有限公司生產能力，提高經濟效益具有重要現實意義。

2 大采高綜采工藝參數確定

采用大采高工藝進行回采作業會使工作面巖層應力向煤壁集中導致巖層應力失衡[3]，巖層發生塑性破壞，宏觀上表現為煤壁片幫現象[4-5]。確定合理采高參數是大采高工藝的關鍵，為此，采用FLAC3D軟件分別模擬5.5 m、6 m、6.5 m 和7 m 采高工況下8112 工作面應力場分布規律，作為合理采高參數確定的依據。

2.1 超前支承壓力分布規律

通過模擬能看出，在推進過程中，工作面沿推進方向會出現超前支承壓力升高現象。分析原因是在大采高綜采過程中基本頂形成砌體梁結構，砌體梁結構將覆巖產生的壓力向工作面超前部分傳遞，導致超前范圍內的煤巖體承受壓力變高。確定超前支承壓力數據和作用范圍的變化趨勢，是確定采高的重要因素[6]。圖1 為工作面推進到距切眼位置約65 m 處超前支承壓力峰值大小和超前支承壓力作用范圍數據變化曲線圖，可以看出監測的工作面應力場各項指標均隨采高變化，其中應力峰值與采高呈負相關，超前支承壓力影響范圍與采高呈正相關，說明隨采高增加，超前支承壓力會降低，但作用范圍會增加，綜合表現為煤體更容易破碎，垮落風險變大。

圖1 超前支承壓力變化規律圖

2.2 頂板拉應力分布規律

頂板煤巖體的穩定性受到抗拉強度的影響，分析抗拉應力區的應力分布大小和分布范圍是確定大采高高度的要素。模擬不同采高下工作面開采65 m時，后方15 m范圍內采空區頂板拉應力變化，如圖2。可以看出，無論是最大拉應力還是拉應力影響范圍，都受采高影響，且隨采高增大而增加，宏觀表現為頂板垮塌、失穩風險增大，采高增大導致工作面支架控制的頂板層位變多，引起超前支承壓力的波及區域增大[7]。從最大拉應力和影響高度變化趨勢分析，超過6.5 m 采高后，數據增加率迅速增大，不利于工作面頂板管理。

圖2 頂板拉應力變化規律圖

3 大采高綜采工藝設備選型

3.1 液壓支架

考慮到大采高作業便捷性以及液壓支架頂梁合力點與煤壁的貼合性，8112 工作面綜采采用雙柱掩護式液壓支架，選型時支護強度按照以下公式計算：

式中：P為基本頂初次來壓頂板壓力，MPa；PA為直接頂壓力，0.37 MPa；M為基本頂高度，9.9 m；r為基本頂容重，25.5 kN/m3；L0為基本頂初次來壓步距，取56.97 m；K為直接頂巖重分配參數，無量綱，取值為2；LK為工作面控頂距，取5 m。

通過計算，可以確定液壓支架支護強度須大于1.09 MPa。選擇用ZY13000/30/65D 型支掩式液壓支架，相關參數見表1。

表1 ZY13000/30/65D 型支掩式液壓支架基本參數表

3.2 采煤機

根據采高要求以及工作面生產能力進行采煤機選型[8]，主要滿足以下要求：采高6.5 m，截深0.8 m，平均牽引速度3 m/min，綜合確定選擇MG750/1840-WD 型雙滾筒采煤機。為了保持工作面綜采穩定性，采煤作業中留設5 m 區段煤柱進行巷道支護。

4 效果分析

地煤大同有限公司采用6.5 m 大采高進行8112工作面綜采作業。為了檢驗該采高下工藝與關鍵設備選型的合理性，對該工作面礦壓進行了綜合監測，監測方案如圖3。

圖3 8112 工作面礦壓監測方案圖

圖中1 采場：采區工作面自上而下設置三個分區，各分區設置三個監測站對區域內支架工作阻力進行實時監測；2 為超前巷道位移量監測區域：材料巷道中在離煤壁70 m 處開始間隔10 m 設置監測站，利用測槍和激光測距儀監測巷道位移量；3、4分別為側向支承壓力監測區域和超前支承壓力監測區域：以切眼煤壁沿8112 工作面推進90 m 處開始設置監測站，各監測站設定7 種深度鉆孔，分別為2 m、4 m、5 m、7 m、9 m、11 m 和13 m，不同深度鉆孔間隔0.5 m。

4.1 支架工作阻力

通過監測區域內10#、30#、50#、70#、90#和110#支架工作阻力發現，8112 工作面回采130 m 范圍內經歷了基本頂初次來壓、基本頂周期來壓等多個階段，具體監測數據見表2。分析可以得出工作面基本頂初次來壓步距約為55.5 m，第一次周期來壓步距20.0 m，第二次周期來壓步距20.3 m，與工藝實施前的理論驗算值非常接近，表明該大采高綜采工藝的合理性和可實施性。

表2 支架工作面阻力監測數據表

4.2 超前及側向支承壓力

根據應力計的監測值繪制超前支承壓力變化曲線圖4，遠離工作面15 m 范圍，應力變化不明顯，距工作面5～15 m 范圍內，應力開始有明顯變化，在5 m 范圍內應力值上升非常快，雖然不同深度探測孔的應力變化趨勢基本相同，但變化速率5 m 深孔最明顯，最大值達到了22.8 MPa；13 m 深探測孔壓力值保持在穩定的12 MPa 左右，表明綜采活動對巷道13 m 深度以遠的煤巖體影響不再明顯。超前支承壓力在15 m 范圍內變化明顯，而液壓支架超前支護距離設定為30 m，超前支護設定合理。

圖4 超前支承壓力隨工作面距離變化曲線圖

4.3 超前巷道變形量

根據頂底板監測值繪制超前巷道變形曲線圖5。在綜采活動中頂底板40 m 范圍外的變形量均不超過45 mm，對巷道穩定性影響不大；兩幫30 m 范圍外最大變形量不超過50 mm，同樣對巷道穩定性影響非常小。表明該大采高綜采工藝實施中，巷道穩定性能夠達到安全開采需求。

圖5 8112 工作面巷道位移量變化曲線圖

5 結語

1）采用FLAC3D軟件分別模擬5.5 m、6 m、6.5 m 和7 m 采高工況下8112 工作面超前支承應力以及頂板拉應力分布規律，確定6.5 m 采高工藝參數。

2）選用ZY13000/30/65D 型支掩式液壓支架以及MG750/1840-WD 型雙滾筒采煤機實現大采高綜采作業。

3）通過支架工作阻力、超前及側向支承壓力以及超前巷道變形量監測，驗證了6.5 m 大采高綜采工藝的有效性和合理性。