采煤工藝參數對工作面圍巖控制的影響分析

史留杰

(蘭花科創玉溪煤礦，山西 晉城 048000)

引 言

一直以來，煤礦開采效率和安全性備受煤礦企業和作業人員的關注，由于我國煤炭資源分布區域相對較廣，煤礦所屬煤層、地質以及水文條件等各部相同，進而對采煤工藝和支護方案提出了不同的要求[1]。為保證綜采工作面的安全生產，需根據工作面的地質、水文等條件確定最佳采煤工藝參數，并為其設計最佳支護方案。本文著重研究不同采煤工藝參數對巷道圍巖的影響特性。

1 工程概況

某煤礦位于山西省，該煤礦南北走向距離為2.5 km，東西走向距離為2.7 km。經探測可知，該煤礦可開采的煤炭儲量約為2億t。該煤礦屬于低瓦斯礦井，瓦斯絕對涌出量小于0.3 m3/t。該煤礦采用一井一面的布置方式，主要設備為連續采煤機，并配置有高阻力液壓支架，目前工作面已實現了運輸系統、支護錨噴化以及輔助運輸膠輪化的全自動生產，并實現對工作面生產運行狀態的遠程監測和控制功能。該工作面的頂底板情況，如表1所示。

表1 XX工作面頂底板情況

經分析探測結果及實測數據可知：XX工作面的正常涌水量為12.5 m3/h，最大涌水31 m3/h。目前，為工作面所配置排水系統的最大排水能力為45 m3/h。

2 采煤工藝參數對沿空留巷的影響

為充分掌握不同采煤工藝參數對沿空留巷的影響，采用UDEC軟件對其中涉及到非介質節理問題進行分析，著重對沿空留巷位移以及應力變化規律進行分析，最終達到優化采煤機工藝參數的目的。根據表1中所述的工程概況建立相應的數值模擬模型，其中模型的尺寸為300 m×73.1 m，工作面采煤實際應用的巷道為矩形巷道，矩形巷道尺寸為5 m×3 m。最終在所建立的數值模擬模型中根據所監測到的數據對頂底板等參數進行設置[2]。

2.1 切頂卸壓對巷道的影響

根據XX工作面頂底板的情況，初步設定切頂卸壓的高度為7 m，并對具備切頂卸壓和不具備切頂卸壓模型在實際開采過程中巷道位移及盈利的變化情況進行對比分析[3]。仿真結果如下：

1) 當采用切頂卸壓高度為7 m的采煤工藝時，巷道的應力集中位置位于左側煤柱，且最大應力值為33 MPa；對應無切頂卸壓模型在實際開采時應力集中位置同樣位于巷道左側煤柱，且最大應力值為37 MPa。得出：切頂卸壓工藝可有效降低工作面巷道的應力集中現象。

2) 以巷道的頂板下沉量和左幫移近量分析切頂卸壓對巷道變形的影響，仿真結果如第125頁圖1所示。

如圖1所示，切頂卸壓工藝能夠有效抑制頂板和左幫的位移變化。具體表現為：切頂卸壓工藝對應頂板的下沉量為22 cm，左幫移近量為26 cm；而非切頂卸壓工藝對應頂板的下沉量可達49 cm，左幫移近量可達36 cm。

圖1 切頂對巷道變形情況的影響

2.2 采煤高度對巷道的影響

不同采煤高度對巷道應力及位移變化的影響，采煤高度分別為1.5 m和3 m。經仿真分析得出如下結論：

1) 當采煤高度為1.5 m時，工作面頂板的垮落量為1.2 m；當采煤高度為3 m時，工作面頂板的垮落量為2.5 m。即，隨著采煤高度的增加，工作面巷道頂板的壓力越來越大，其對應垮落量越來越大。

2) 不同采煤高度對應工作面巷道的應力變化，如圖2所示。

圖2 不同采煤高度下對應巷道應力變化趨勢

由之前研究可知，在開采過程中應力集中位置位于巷道左側煤幫，故對左幫煤壁不同位置的應力值進行對比。如圖2所示，當采高為1.5 m時應力最大位于左幫煤壁10 m的位置處，且最大應力值為27 MPa；當采高為3 m時應力最大位置位于左幫煤壁13 m的位置，且最大應力值為33 MPa。

綜上所述，隨著采煤高度的增加對應巷道頂板的壓力不斷增加，并且最大應力位置向工作面里走。因此，在滿足工作面采煤效率的基礎上確保采煤高度不應太大[4]。

2.3 切頂高度對巷道的影響

在不同切頂高度3.6 m、8 m、9.6 m、14.4 m時對應巷道應力及位移變化情況，仿真結果分析如下：

1)不同切頂高度對應巷道的最大應力值和應力位置，如表2所示。

表2 切頂高度對巷道應力值及位置的影響

如表2所示，隨著切頂卸壓采煤工藝切頂高度的增加，對應巷道的應力集中位置靠近左幫煤壁向里移動；且最大應力值不斷減小，但其最大應力值變化不明顯。

2) 不同切頂高度對應巷道及底板的變形量，如圖3所示。

圖3 不同切頂高度巷道的位移量變化

如圖3所示，隨著切頂高度的增加，巷道頂板和底板的變形均在減小；且當切頂高度大于10 m后，巷道頂板和底板的變形率減小。即可近似認為：當切頂高度大于10 m后，切頂高度對巷道位移變化幾乎不影響。因此，應將切頂高度控制在8 m～10 m。

2.4 切頂角度對巷道的影響

在不同切頂角度0°、10°、20°時對應巷道應力及位移變化情況，仿真結果分析如下：

1) 不同切頂角度對應巷道的最大應力值和應力位置，如表3所示。

表3 切頂角度對巷道應力值及位置的影響

如表3所示，切頂角度對巷道最大應力值和應力集中位置的影響不大。

2) 不同切頂角度對應巷道及底板的變形量，如圖4所示。

圖4 不同切頂角度度巷道的位移量變化

如圖4所示，隨著切頂角度的增加，巷道頂板和底板的變形均在增加；且當切頂角度大于20°后，巷道頂板和底板的變形率增加。即可近似認為：當切頂高度小于20°時，切頂角度對巷道位移變化幾乎不影響。因此，應將切頂高度控制在10°～20°[5]。

3 總結

在實際生產過程中，除了采用有效的支護手段可對工作面圍巖控制效果進行影響外，實踐表明，在不同采煤工藝下其對應工作面圍巖控制效果各不相同，本文著重對采煤高度、切頂高度以及切頂角度等參數對工作面巷道的應力及變形影響特性進行分析，最終得出：XX工作面最佳采煤高度應設為1.5 m；最佳切頂高度應控制在8 m～10 m，最佳切頂角度應控制在10°～20°。