不同采煤工藝對圍巖控制的影響分析

曹黎宏

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺頭煤焦有限責(zé)任公司，山西 臨汾 042100）

據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，我國煤炭儲量在全球范圍內(nèi)處前列，而且國內(nèi)厚煤層的儲量占據(jù)所有煤層的接近50%。針對厚煤層的開采如何實(shí)現(xiàn)安全、高效、合理的開采對于保證煤礦的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)能力具有重要意義。目前，針對我國煤層、地質(zhì)條件可適用的采煤工藝包括有分層綜合機(jī)械化開采、綜放開采以及大采高綜采。近年來，隨著大采高綜采工藝的不斷成熟，國內(nèi)許多礦井所采用的采煤工藝正在從綜放開采到大采高開采轉(zhuǎn)型[1]。而對于綜放開采和大采高綜合而言，二者在工作面液壓支架載荷以及頂板控制方面存在較大的差異。因此，開展綜放開采和大采高綜采兩種工藝下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究意義重大。

1 工程概況

以山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺頭煤焦有限責(zé)任公司5401 綜采工作面和1405 綜采工作面為例開展研究，具體對兩個(gè)綜采工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行對比分析。首先，對兩個(gè)綜采工作面的地質(zhì)條件及開采條件進(jìn)行概述。

1.1 5401 綜采工作面工程概況

5401 綜采工作面采用“三進(jìn)兩回”的形式對巷道進(jìn)行布置，工作面巷道的斷面形狀為矩形，具體尺寸為5.0 m×3.8 m；該工作面所采用的支護(hù)方式以錨網(wǎng)支護(hù)為主，以錨索支護(hù)為輔。該綜采工作面煤層的平均厚度為6.3 m，煤層的最大傾角為14°，最小傾角為1°，平均傾角為5°。5401 綜采工作面的頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 5401 綜采工作面頂?shù)装迩闆r

目前，該工作面采用走向長壁后退式采高綜采工藝，采煤機(jī)對應(yīng)的采煤高度為6 m，采用雙向開采的方式。煤炭可推進(jìn)工作面的長度為7.785 m。

1.2 1405 綜采工作面工程概況

1405 綜采工作面煤層的平均厚度為5.36 m，最大煤層傾角為-3°，最小煤層傾角為-10°，煤層平均傾角為－6°。1405 綜采工作面的頂?shù)装迩闆r如表2 所示。

表2 1405 綜采工作面頂?shù)装迩闆r

1405 綜采工作面采用三巷的方式進(jìn)行布置，其斷面形狀為矩形，具體尺寸為4.3 m×3.0 m；工作面的總的走向長度為538.6 m，其中傾斜工作面的長度為145.8 m。目前，該工作面所采用的采煤工藝為放頂煤一次采全高，其中采煤機(jī)的采煤高度為2.8 m，放頂煤高度為2.56 m。該采煤工藝下對應(yīng)采煤機(jī)回采率為95%，放頂煤的回采率為80%；對應(yīng)的綜合回采率為88%。

2 采煤工藝對圍巖控制的影響分析

針對不同采煤工藝下對綜采工作面圍巖的控制效果的對比分析，本文將從不同采煤工藝下對應(yīng)工作面的覆巖結(jié)構(gòu)特征、工作面來壓特征、支架載荷、支撐壓力以及煤壁穩(wěn)定性幾個(gè)層面進(jìn)行綜合分析[2]。

2.1 采煤工藝對工作面覆巖結(jié)構(gòu)特征的影響

首先，從理論結(jié)構(gòu)模型的層面對不同采煤工藝下對應(yīng)綜采工作面的覆巖結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行研究（如圖1 所示）。

圖1 不同采煤工藝下工作面覆巖結(jié)構(gòu)模型對比

不同采煤工藝下對應(yīng)綜采工作面的覆巖結(jié)構(gòu)模型之間的差異最直觀的表現(xiàn)為工作面地表的沉降參數(shù)存在較大的差異[3]。就5401 和1405 綜采工作面實(shí)際開采時(shí)地表的沉降參數(shù)進(jìn)行對比并總結(jié)如下：

1）5401 綜采工作面地表的最大下沉量為5 178 mm，而1405 綜采工作面的最大下沉量為1 445 mm；對應(yīng)的5401 綜采工作面的最大下沉速度為277mm/d；而1405 在綜采工作面的最大下沉速度為45 mm/d。

2）鑒于5401 工作面的采高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1405 工作面，在實(shí)際開采中5401 工作面地表的移動量和移動的劇烈程度明顯大于1405 工作面。

2.2 采煤工藝對工作面來壓特征的影響

同樣以本文所研究的兩個(gè)綜采工作面為例具體分析不同采煤工藝下工作面的來壓特征進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表3 所示。

表3 5401 和1405 綜采工作面來壓特征影響

受采煤工藝對綜采工作面來壓特征存在差異的影響，在實(shí)際生產(chǎn)中5401 綜采工作面的平均推進(jìn)速度為6 m/d；1405 綜采工作面的平均推進(jìn)速度僅為1.8 m/d。總的來講，大采高開采工藝下直接頂?shù)某醮慰迓洳骄啻笥诰C放開采工藝；兩采煤工藝下對應(yīng)的老頂初次垮落步距幾乎一致；大采高工藝下老頂?shù)某醮蝸韷旱膭×页潭冗h(yuǎn)大于綜放開采工藝下的初次來壓。

2.3 采煤工藝對支架載荷的影響分析

目前，在實(shí)際生產(chǎn)中5401 綜采工作面所配置液壓支架為四柱式，該型液壓支架的額定工作阻力為4 950 kN，額定初撐力為3 958 kN；1405 綜采工作面所配置的液壓支架為兩柱式，該型液壓支架的額定工作阻力為12 000 kN，額定初撐力為7 917 kN[4]。在實(shí)際開采過程中兩種采煤工藝下對應(yīng)的液壓支架工作阻力特征如表4 所示。

表4 不同采煤工藝下液壓支架工作阻力特征 kN

如表4 所示，大采高開采工藝下工作面頂板對液壓支架的壓力遠(yuǎn)大于1405 工作面所采用的綜放工藝。導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因在于：大采高工藝下液壓支架的直接傳遞介質(zhì)為巖層，巖層的傳遞性較好導(dǎo)致支架在來壓期間的載荷較大；而綜放工藝下液壓支架的直接傳遞介質(zhì)為煤層，由于煤層的泄壓能力優(yōu)于巖層，其對應(yīng)支架在來壓期間的載荷較小[5]。

此外，在實(shí)際開采中5401 綜采工作面煤壁片幫主要表現(xiàn)為三種形式，分別為全煤壁片幫、半煤壁片幫以及片幫并冒頂；而1405 綜采工作面煤壁片幫的主要形式表現(xiàn)為拉裂破壞和剪切破壞。具體量化分析如下：

5401 綜采工作面片幫深度大于600 mm 的占比為26%；而1405 綜采工作面片幫深度大于600 mm的占比僅為11%。即，5401 綜采工作面的片幫現(xiàn)象角1405 綜采工作面嚴(yán)重。

3 結(jié)論

分層綜采、大采高綜采和綜放開采為當(dāng)前國內(nèi)應(yīng)用較多的開采工藝。對于不同采煤工藝在實(shí)際生產(chǎn)中對工作面的圍巖控制產(chǎn)生不同的影響。本文以5410 綜采工作面和1405 綜采工作面為例對大采高綜采和綜放開采工藝下對工作面圍巖控制的影響進(jìn)行具體研究，并總結(jié)如下結(jié)論：

1）大采高工藝下對應(yīng)工作面的老頂來壓、支架載荷以及動載荷系數(shù)等均遠(yuǎn)大于綜放開采工藝；

2）大采高工藝對應(yīng)工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律角綜放開采工藝顯著；

3）大采高工藝和綜放開采工藝下工作面的頂板冒頂以及片幫的主要形式存在一定的差異，需針對性的對頂板和兩幫進(jìn)行支護(hù)。