軟底厚煤層綜放工作面采場(chǎng)圍巖控制技術(shù)研究

王 斌

(霍州煤電集團(tuán) 河津騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 臨汾 042108)

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電騰暉煤業(yè)2-202工作面位于二采區(qū)巷道前進(jìn)方向左翼，不存在上覆采空區(qū)，工作面煤層總厚(3.2～6.0)/5.6 m，煤層傾角0～2°，工作面沿煤層傾向布置，頂?shù)装鍘r層特征見(jiàn)表1，其中底板為鋁質(zhì)泥巖，抗壓強(qiáng)度為13.4 MPa，軟化系數(shù)0.15～0.30，屬于典型的軟弱巖層。2-202綜放工作面采用“邊割邊放”工藝，采煤機(jī)截深確定為800 mm，采高確定為3.1 m，放煤高度確定為2.5 m，采放比為1.24∶1，放煤步距800 mm. 2-202工作面為2-201工作面的生產(chǎn)接替工作面，2-201工作面回采期間，采場(chǎng)圍巖多次出現(xiàn)底鼓(底鼓量400～500 mm)、片幫垮落等現(xiàn)象，影響工作面生產(chǎn)效率并威脅礦井安全。

表1 2-202工作面頂?shù)装鍡l件表

2 采場(chǎng)圍巖控制機(jī)理分析

目前，軟底綜放工作面采場(chǎng)圍巖的有效控制仍是一個(gè)難題[1]，工作面回采期間，液壓支架后方形成采空區(qū)，頂板巖層自然垮落，基本頂斷裂后形成相互鉸接的巖梁，沿工作面推進(jìn)方向取切面可簡(jiǎn)化采場(chǎng)圍巖運(yùn)移特征,見(jiàn)圖1. 采場(chǎng)圍巖主要通過(guò)液壓支架進(jìn)行支撐，頂板巖層壓力由液壓支架和前方煤壁承載，當(dāng)煤壁承受壓力過(guò)大時(shí)，將導(dǎo)致其出現(xiàn)片幫，在支架和煤壁的壓力作用下，底板發(fā)生壓曲變形，表面出現(xiàn)底鼓破壞現(xiàn)象，結(jié)合采場(chǎng)圍巖受力特征并參閱相關(guān)研究成果[2-4]，分析可得:

圖1 采場(chǎng)圍巖礦壓示意圖

1) 工作面片幫的主要影響因素。a) 煤體自身的物理力學(xué)性質(zhì)。煤壁發(fā)生片幫的內(nèi)在因素為煤體強(qiáng)度不足，無(wú)法支承上覆巖層的壓力，導(dǎo)致靠近自由變形面的煤體進(jìn)入塑性破壞狀態(tài)。b) 支架工作狀態(tài)。支架初撐力對(duì)于煤壁承受的壓力具有重要影響，初撐力過(guò)低時(shí)，頂板下沉量會(huì)更大，頂板傳遞至煤壁的壓力將更大，煤體更容易達(dá)到強(qiáng)度臨界值；在工作面煤巖體物理力學(xué)參數(shù)不變的條件下，提高支架初撐力，改善支架工作狀態(tài)，可減小煤壁的支承壓力，進(jìn)而降低煤壁的片幫概率。

2) 工作面底鼓影響因素。a) 底板巖層巖性。底板巖層的強(qiáng)度對(duì)于其底鼓特性具有決定性影響，當(dāng)?shù)装鍙?qiáng)度較大時(shí)，能夠承受較大的壓力，底板就會(huì)相對(duì)穩(wěn)定，2-202工作面屬于典型的軟弱巖層，其強(qiáng)度低于煤層時(shí)，由于壓模效應(yīng)導(dǎo)致底板底鼓破壞。b) 液壓支架工作狀態(tài)。采場(chǎng)“支架—圍巖”系統(tǒng)中，液壓支架下部通過(guò)千斤頂與刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)連接為一個(gè)整體，對(duì)于底板形成整體載荷，支架初撐力越大，低于底板向下的載荷越大，起到抑制底板底鼓的效果。

綜上分析可知，可嘗試通過(guò)提高液壓支架初撐力、留底煤來(lái)抑制工作面的底鼓、片幫破壞。

3 初撐力和底煤厚度對(duì)圍巖控制效果模擬分析

3.1 初撐力對(duì)底鼓控制效果模擬研究

2-202采煤工作面高度為2.5 m，液壓支架支承頂板長(zhǎng)度約為8 m，為探究不同支架初撐力對(duì)于工作面礦壓顯現(xiàn)的影響規(guī)律，結(jié)合其實(shí)際生產(chǎn)條件，通過(guò)FLAC3D軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，為保證工作面不受模型兩側(cè)邊界的影響，取模型長(zhǎng)、寬、高分別為300 m、280 m、120 m. 2-202工作面沿模型Y軸方向布置，長(zhǎng)度200 m，沿X軸推進(jìn)，后方共采空150 m，采空區(qū)采用大變形模型，兩側(cè)回采順槽矩形斷面寬、高分別為5.5 m、3.5 m，設(shè)計(jì)工作面液壓支架初撐力為4 000～8 000 kN，每1 000 kN為一個(gè)變化梯度，模型計(jì)算平衡后，沿其長(zhǎng)度方向中部取豎直界面，觀察工作面圍巖豎直方向位移量，圖2為不留底煤支架不同初撐力條件下采場(chǎng)圍巖垂直位移模擬結(jié)果。

由圖2a)可看出，在上覆巖層垂直方向應(yīng)力作用下，工作面煤壁下方底板下沉約50 mm，液壓支架支腿下方區(qū)域底板下沉約28 mm，底板巖層在擠壓作用下在支架前方支護(hù)阻力空缺處產(chǎn)生底鼓變形，距煤壁2.0 m附近底鼓量最大達(dá)到448 mm. 說(shuō)明所設(shè)計(jì)的模擬方案較接近工作面真實(shí)情況，所得的模擬結(jié)果具有較大的參考價(jià)值。

圖2 不同初撐力條件下采場(chǎng)圍巖垂直位移模擬結(jié)果圖

對(duì)比分析不同支架初撐力條件下最大底鼓量(圖3)可以發(fā)現(xiàn)，隨著液壓支架初撐力的增大，工作面底鼓量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，支架初撐力的提高能夠一定程度上抑制工作面底板向上滑移運(yùn)動(dòng)，初撐力由4 000 kN增至8 000 kN增大100%，底鼓量減小幅度僅為22.1%，初撐力由7 000 kN增大至8 000 kN，底鼓量減小最為顯著，初撐力達(dá)到8 000 kN，底鼓量最大值為349 mm，底鼓量仍較大，仍不能滿足工作面的正常推進(jìn)。由此說(shuō)明僅通過(guò)提高支架初撐力無(wú)法解決軟巖底板過(guò)度底鼓變形的問(wèn)題。

圖3 不同支架初撐力下最大底鼓量圖

3.2 留底煤厚度對(duì)底鼓控制效果模擬研究

為考察留底煤開(kāi)采對(duì)于工作面礦壓規(guī)律的影響，采用上述數(shù)值模擬，分別模擬留底煤厚度為0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m條件下，液壓支架初撐力為4 000 kN、5 000 kN、6 000 kN、7 000 kN、8 000 kN條件下工作面垂直位移變化規(guī)律。以支架初撐力為8 000 kN為例，不同底煤厚度條件下工作面垂直位移模擬結(jié)果見(jiàn)圖4. 由圖4可以看出，留底煤后，工作面圍巖整體變化規(guī)律和不留底煤無(wú)明顯的差異，煤壁下方底板下沉 25 mm，支架底座底板下沉27 mm，相較于無(wú)底煤條件下分別減小19 mm和2 mm，底鼓量最大值為238 mm，相較于無(wú)底煤條件下底鼓量減小幅度為31.8%，通過(guò)留設(shè)底煤可進(jìn)一步減小底鼓量。根據(jù)圖4b)、c)、d)可知，底板最大底鼓量分別為89 mm、154 mm、143 mm，較無(wú)底煤條件下分別減小74.5%、55.9%，59.0%. 由此表明，底鼓量并不是隨著留設(shè)底煤厚度增大而一直減小，當(dāng)?shù)酌汉穸葹?.4 m時(shí)，底鼓量最小，且能夠滿足工作面正常推進(jìn)的要求。

圖4 不同底煤厚度工作面垂直位移模擬結(jié)果圖

4 2-202工作面礦壓控制技術(shù)

4.1 礦壓控制技術(shù)應(yīng)用

結(jié)合模擬研究成果，設(shè)計(jì)工作面來(lái)壓期間圍巖控制技術(shù)：1) 將液壓支架初撐力由6 000 kN提高為8 000 kN，以減小頂板來(lái)壓時(shí)支架下縮量，減小煤壁承受壓力，降低煤壁片幫概率。工作面所用放頂煤液壓支架型號(hào)為ZF-10000/24/36 型，最大工作阻力為10 000 kN. 2) 留設(shè)0.4 m底煤。通過(guò)留設(shè)底煤改變工作面直接底的巖性和力學(xué)性質(zhì)，同時(shí)避免軟巖底板遇水膨脹變形，提高支架下部煤巖體的承載能力，防止過(guò)度底鼓現(xiàn)象。由2-202工作面應(yīng)用留底煤、提高初撐力方案后周期來(lái)壓期間采場(chǎng)圍巖實(shí)際情況可以看出，工作面煤壁光潔平整，底板完整性良好。

4.2 底鼓控制效果分析

對(duì)2-202工作面回采初期和礦壓控制技術(shù)應(yīng)用后底板變形情況進(jìn)行觀測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5. 未采取措施時(shí)，工作面周期來(lái)壓期間，底鼓量持續(xù)增大，達(dá)290～310 mm，影響工作面正常推進(jìn)；采用留底煤、提高初撐力措施后，工作面周期來(lái)壓期間，底鼓量輕微增大，最大底鼓量保持在100 mm以下，不影響工作面正常推進(jìn)。

圖5 工作面底鼓量監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)騰暉煤業(yè)2-202工作面地質(zhì)條件，通過(guò)理論分析確定影響其圍巖穩(wěn)定性的因素，通過(guò)數(shù)值模擬研究支架初撐力和留底煤厚度對(duì)工作面圍巖穩(wěn)定性的影響，提高液壓支架初撐力可減小底鼓量，留底煤厚度為0.4 m時(shí)底鼓量最小。2-202工作面圍巖控制技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐結(jié)果表明，工作面周期來(lái)壓期間煤壁完整，無(wú)明顯底鼓變形，實(shí)現(xiàn)了軟底厚煤層綜放工作面高效生產(chǎn)。