長壁厚煤層開采圍巖控制的研究

韓文如

摘 要：有效的圍巖控制是實現煤礦井下安全開采的前提。本文針對LTCC和SPLL工作面開發了相應的圍巖系統?？紤]煤層剛度、頂板巖層和液壓支架的作用，提出了頂板結構與長壁工作面同時平衡的條件。長壁工作面安全系數定義為煤壁面極限承載力與實際加在煤壁面上的荷載之比。分析了煤體強度、煤體剛度、頂板剛度、液壓支架剛度等因素對頂板結構的影響以及頂板結構的運動。最后，確定了控制長壁工作面穩定性的關鍵因素，提高了長壁工作面和超細粒級聯工作面圍巖控制效果。

關鍵詞：長壁厚煤層;圍巖控制

1 背景

我國煤炭開采的集中度正逐步向西部地區轉移，新形成的礦區存在大量厚煤層。因此，與此類厚煤層開采相關的圍巖控制問題將成為地下開采相關研究的重點。我國厚煤層開采方法主要有單道大高度長壁開采法（SPLL）和長壁放頂煤開采法（LTCC）兩種。兩種方法均可達到一次全厚煤層開挖的目的。SPLL采礦得益于相關設備開發水平的提高。大型液壓支架和大功率采煤機，保證支架的保護高度和剪切煤的高度與煤的厚度一致。LTCC采礦得益于采礦技術優勢。這種開采方法將厚煤層劃分為兩個亞層。長壁工作面一般安裝在底板，頂煤在采礦作業引起的支座應力作用下發生破壞，出現溶洞。因此，在輸送剪切煤的液壓支架前面有一個鏈式輸送機，在垮落頂煤的液壓支架尾部有一個鏈式輸送機。SPLL法和LTCC法都實現了厚煤層的一次回采[1-2]。

2 采場圍巖結構系統模型

實踐表明，屋內墻壁加筋過程中經常出現肋片剝落現象。這意味著屋頂之間有著密切的關系結構及煤壁穩定性。為了分析LTCC工作面和SPLL工作面常見的肋片剝落現象，有必要建立該類工作面圍巖系統模型。系統模型由頂板[3]、煤壁和液壓支架組成。根據彈性地基梁理論，頂板的破壞線位于煤層前壁，頂板破壞后形成voussoir梁結構。平衡結構作用于采空區的煤壁、支架和矸石上。LTCC面和SPLL面主要頂板破裂后形成的圍巖實際結構如圖1a和圖1c所示。在頂煤工作面，采出的煤層厚度通常大于7 m。由于生產空間大，低層頂板巖層不能形成平衡結構，周期性地以懸臂梁的形式斷裂。屋面較高的巖層形成了voussoir梁結構。理論分析表明，懸臂結構內的硬巖層對煤壁和液壓支架的穩定性影響最大。因此，在對放頂煤工作面圍巖穩定性進行系統分析時，將形成懸臂結構的堅硬巖層視為頂板。在大采高工作面，切割高度通常小于7米，生產空間相對較小。如果靠近煤層的頂板巖層中含有堅硬的巖石，破碎后可形成穩定的voussoir梁結構，作為頂板的主體。在兩種采場中，覆巖層破碎后，voussoir梁結構的后鉸支點由采空區矸石支撐，前鉸支點由煤層圍巖和支護支撐，以保證頂板結構的穩定性。

為了簡化，在下一節進行力學分析時，采用不同剛度的彈性彈簧代替長壁工作面前原煤、支架上方破頂煤、直接頂板、液壓支架提供的支護效果。如圖1b所示，在LTCC工作面中，代替長壁工作面前原煤作用的彈簧剛度記為ki，而長壁工作面后，煤剛度記為kb。液壓支架的剛度設為ks。在SPLL工作面，如圖1d所示，支架上方不存在頂煤?？紤]直接頂的支護作用，用剛度為K r的彈簧代替直接頂的支護作用來保持voussoir梁結構的平衡。注意，在放頂煤采場，水力支架上方的頂煤裂隙發育充分。與長壁工作面前緣原煤相比，后緣的煤剛度和強度明顯降低。然而，在大采高采場，直接頂板在液壓支架上方保持相對完整。與工作面前直接頂板相比，長壁工作面后直接頂板的剛度和強度基本保持不變。此外，為了便于分析，考慮直接頂板的剛度和強度與LTCC工作面煤層的剛度和強度相同。

3 結論

①采礦作業引起煤壁上部頂板移動和應力集中，導致上肋剝落。下肋剝落是由于水平應力和底鼓引起的煤壁下部應力集中引起的。煤層中已有裂縫的分布對煤層破壞后落煤的大小和分布有顯著影響;②建立了LTCC工作面和SPLL工作面圍巖系統模式。本文采用能量法對LTCC工作面圍巖穩定性進行了分析，基于voussoir梁理論對SPLL工作面穩定性進行了系統分析。得到了保持圍巖系統穩定所需的煤壁支護力和液壓支護力。與常規長壁工作面相比，LTCC工作面橋臺峰值應力較小，但影響范圍較大。隨著開采高度的增加，SPLL工作面對應的峰值和影響范圍增大;③煤壁安全系數定義為煤壁極限承載力和作用于煤壁的實際頂板壓力。在LTCC工作面，提高煤壁強度、煤剛度和液壓支架剛度以及頂煤破壞程度都有利于提高煤壁的穩定性。安全煤壁系數與煤體強度、支護剛度和頂板主砌塊在SPLL工作面旋轉程度成正比。

參考文獻：

[1]牛少抑.長壁開采三順槽圍巖控制理論技術研究[D].太原：太原理工大學，2011.

[2]張小強.厚煤層殘煤復采采場圍巖控制理論及其可采性評價研究[D].太原：太原理工大學，2015.

[3]佚名.厚煤層快速回采切頂卸壓無煤柱自成巷工程試驗[J].巖土力學，2018（1）：254-264.