上灣煤礦8.8 m綜采工作面煤壁穩(wěn)定性分析

楊俊哲，史朝軍，孫紅發(fā)，李 崢

(1.神東煤炭集團(tuán)公司，陜西 榆林 719315； 2.鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，河南 鄭州 450016)

在我國煤炭能源儲量中，厚煤層、特厚煤層約占煤炭總儲量的2/5，每年厚煤層產(chǎn)出量約占我國總產(chǎn)出量的1/2[1-2]。隨著我國工業(yè)化程度的不斷推進(jìn)、國民經(jīng)濟(jì)的快速穩(wěn)步發(fā)展，國家對煤炭能源的需求量穩(wěn)中有增。因此，厚、特厚煤層的開采具有很大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。由于大采高綜采工作面具有工藝簡單、資源回采率高、生產(chǎn)效率高、瓦斯涌出量少的特點(diǎn)，大采高開采技術(shù)已成為我國厚煤層開采的主流發(fā)展趨勢[3-7]。隨著大采高開采技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦綜采設(shè)備制造水平的不斷提高，采煤高度不斷突破、屢創(chuàng)新高，工作面單產(chǎn)量大幅度提高，我國的大采高開采技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平[8-11]。隨著采煤高度的不斷突破，工作面礦壓顯現(xiàn)加劇、上覆巖層采動影響更加明顯，從而造成煤壁片幫現(xiàn)象，嚴(yán)重制約著煤礦的安全高效生產(chǎn)[12-13]。

上灣煤礦8.8 m綜采工作面設(shè)計(jì)最大采高8.6 m，為目前世界上采高最大的一次采全高工作面。由于工作面采煤高度由前期最高的7.0 m增大到8.6 m，工作面更容易受煤壁片幫的影響，造成頂板冒落，從而影響支架姿態(tài)，導(dǎo)致支架傾斜，影響工作面設(shè)備正常運(yùn)行[14]，嚴(yán)重時(shí)威脅礦工人身安全。因此，分析8.8 m大采高工作面煤壁的穩(wěn)定性，對實(shí)現(xiàn)上灣煤礦的安全高產(chǎn)高效生產(chǎn)具有重要意義[15-16]。

1 工作面概況

上灣煤礦8.8 m工作面位于四盤區(qū)，屬新開盤區(qū)。12401工作面煤層埋深88～237 m，平均埋深180 m，煤層厚度7.95～9.25 m，平均8.45 m，煤層傾角≤3°，屬穩(wěn)定—較穩(wěn)定煤層[16-17]，低瓦斯礦井。工作面長300 m，走向長5 200 m，資源儲量1 652.5萬t。工作面直接頂以粗粒砂巖、粉砂巖為主，兩者具有一定的懸頂距；基本頂以粉砂巖、粗粒砂巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育；底板以粉砂巖為主，局部泥巖。工作面東側(cè)為西一、西二盤區(qū)采空區(qū)，西側(cè)為爾林兔未開采區(qū)，南側(cè)、北側(cè)為爾林兔井田邊界[18]。

2 工作面煤壁穩(wěn)定性分析

影響工作面煤壁穩(wěn)定性的因素主要分為自然因素和生產(chǎn)技術(shù)因素。自然因素主要包括煤層賦存條件及煤質(zhì)特征，即：埋深、煤厚、煤質(zhì)強(qiáng)度、煤的節(jié)理裂隙發(fā)育程度等；生產(chǎn)技術(shù)因素包括工作面長度、推進(jìn)速度、采煤高度、采煤截深、仰俯采角度、液壓支架支護(hù)強(qiáng)度、液壓支架護(hù)幫板水平推力等[19-20]。

從現(xiàn)有大采高綜采工作面的成功案例分析得知，采煤高度能否進(jìn)一步提高主要取決于煤層賦存條件，即煤壁穩(wěn)定、不發(fā)生或少發(fā)生煤壁片幫的煤層適宜采用大采高開采技術(shù)。在限定的煤層地質(zhì)條件下，需要考慮生產(chǎn)技術(shù)因素，該因素是分析煤壁穩(wěn)定性的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.1 工作面煤壁穩(wěn)定性自然因素分析

煤質(zhì)情況對煤壁片幫的影響很大，如果煤層比較松軟，頂板稍微有壓就能把煤壁壓垮[21]，從而造成煤壁片幫。大采高工作面在開采過程中，由于采出煤量增多，采空區(qū)體積變大，需冒落更多的頂板巖石去充填，頂板壓力、煤壁壓力相應(yīng)增大，從而加劇煤體裂隙發(fā)育程度，導(dǎo)致煤體強(qiáng)度降低。在塑性區(qū)內(nèi)，支承壓力的增加或煤體強(qiáng)度的降低均會導(dǎo)致該區(qū)煤壁外鼓量的增加，這是產(chǎn)生片幫的先兆[22]。根據(jù)上灣煤礦12106綜采工作面以及周邊煤礦相同煤層、相似埋深、相似采高工作面開采時(shí)工作面頂板來壓情況以及煤壁片幫程度，可以類比出8.8 m大采高工作面開采時(shí)的煤層片幫情況。上灣煤礦12106綜采工作面設(shè)計(jì)采高6.8 m，實(shí)際采高允許偏差為±100 mm，根據(jù)現(xiàn)場情況可沿頂、沿底回采；根據(jù)現(xiàn)場回采實(shí)測，該工作面的周期來壓步距平均13.96 m。在回采過程中，沒有發(fā)生其他頂板事故，平時(shí)很少片幫，工作面中上部煤壁片幫值最大400～500 mm。大柳塔煤礦52303綜采工作面設(shè)計(jì)采高6.8 m，實(shí)際采高允許偏差±100 mm，根據(jù)現(xiàn)場回采實(shí)測，該工作面的周期來壓步距平均21 m，周期來壓時(shí)持續(xù)長度0.8～6.8 m，平均2.4 m。工作面周期來壓期間均伴有煤壁片幫、炸幫，端面局部存在漏矸現(xiàn)象，而工作面兩巷超前支護(hù)段無明顯片幫現(xiàn)象。紅柳林煤礦15205工作面受煤層厚度限制，目前實(shí)際采高6.5 m左右，超前壓力顯現(xiàn)較緩和，工作面煤壁完整性好，采煤機(jī)割過后，煤壁完好，基本不發(fā)生片幫。生產(chǎn)期間，三級護(hù)幫板均收起，僅采用二級護(hù)幫，檢修期間三級護(hù)幫全部使用。

綜上，該煤層賦存條件較好，煤壁較為穩(wěn)定，可以通過控制生產(chǎn)技術(shù)因素來保證工作面煤壁的穩(wěn)定性，將煤壁片幫情況對回采的影響控制在較小的范圍內(nèi)。

2.2 工作面煤壁穩(wěn)定性生產(chǎn)技術(shù)因素分析

2.2.1 基于煤壁穩(wěn)定性軟件的護(hù)幫高度分析

根據(jù)煤壁失穩(wěn)機(jī)理，采用分析軟件模擬受力狀態(tài)，如圖1所示。可知，在采高為8.6 m狀態(tài)時(shí)，煤壁能夠保持穩(wěn)定的高度為4.93 m；容易片幫的區(qū)域?yàn)閺捻敯逑蛳?.01 m內(nèi)。因此，液壓支架設(shè)計(jì)的護(hù)幫板必須護(hù)住的區(qū)域3.67 m，護(hù)幫設(shè)計(jì)高度應(yīng)大于3.67 m。

圖1 煤壁穩(wěn)定性分析示意

2.2.2 模擬分析不同采煤高度下的煤壁穩(wěn)定性

為了分析上灣煤礦四盤區(qū)煤層不同采煤高度下的煤壁穩(wěn)定性，對不同采煤高度下的開采情況進(jìn)行FLAC3D數(shù)值模擬，模擬采用的支護(hù)強(qiáng)度為1.3MPa，分別監(jiān)測距離底板1～8 m位置處的煤壁水平、垂直位移，得出了不同采煤高度下煤壁的最大水平、垂直位移，最終獲得總位移，見表1。

表1 采高與煤壁總位移數(shù)據(jù)

通過分析得出：在同一采煤高度下，距離底板越高的煤壁處位移量越大，符合現(xiàn)場片幫多發(fā)生在中上部的客觀規(guī)律；在不同采煤高度下，采煤高度越大，距離底板越高的煤壁處位移量越大。由于采煤高度增大后，煤壁片幫中滑落片幫較多，因此煤壁垂直方向位移更加重要，分析得出：垂直方向位移隨采高增大呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，各采煤高度下，距離底板越高的煤壁點(diǎn)，其位移量越大。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際回采情況，采煤高度6.8 m時(shí)，現(xiàn)場煤壁片幫情況較少，為進(jìn)一步分析合理的護(hù)幫范圍，重點(diǎn)分析6、7、8、8.8 m采高時(shí)的水平位移和垂直位移(圖2—圖5)。

圖2 采煤高度6 m時(shí)水平及垂直位移

圖3 采煤高度7 m時(shí)水平及垂直位移

圖4 采煤高度8 m時(shí)水平及垂直位移

圖5 采煤高度8.8 m時(shí)水平及垂直位移

從圖2—圖5中可見，當(dāng)采煤高度為7 m時(shí)，煤壁從上往下3.0～3.5 m處位移量較大，護(hù)幫范圍需要達(dá)到3.5 m；當(dāng)采煤高度為8.8 m時(shí)，煤壁從上往下4.5～5.0 m處位移量較大，護(hù)幫范圍需要達(dá)到5 m。

根據(jù)上述分析，為了保證煤壁穩(wěn)定性，有效防止片幫現(xiàn)象的發(fā)生，需在合理選擇支架支護(hù)強(qiáng)度的前提下，盡量保證液壓支架護(hù)幫范圍達(dá)到5 m，以適應(yīng)8.8 m超大采高工作面的護(hù)壁要求。

3 結(jié)論

上灣煤礦8.8 m工作面是目前世界上第一大采高工作面，煤壁的穩(wěn)定性對工作面高產(chǎn)高效生產(chǎn)有著極其重要的影響。煤壁的穩(wěn)定需要液壓支架提供足夠護(hù)幫力作為支撐，需在液壓支架支護(hù)強(qiáng)度滿足需求的基礎(chǔ)上，盡量保證液壓支架護(hù)幫范圍達(dá)到5 m以確保生產(chǎn)安全有序的進(jìn)行。