涼水井煤礦綜采工作面初采初放頂板控制技術

武立飛,蔡明華

(神木匯森涼水井礦業有限責任公司，陜西　神木　719300)

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·技術經驗·

涼水井煤礦綜采工作面初采初放頂板控制技術

武立飛,蔡明華

(神木匯森涼水井礦業有限責任公司，陜西神木719300)

針對涼水井煤礦42112工作面初采期間堅硬頂板難以垮落問題，綜合采用了數值模擬、現場觀測等方式，研究了該工作面初采期間采空區頂板內應力分布和塑性區分布變化特征，得出了基本頂斷裂時初次來壓步距。并針對初次來壓可能造成的沖擊危害，采用深孔爆破方式進行強制放頂。工程實踐表明，研究結果與現場基本吻合，放頂效果良好，保證了綜采工作面的初采期間安全回采，滿足了正常生產需求。

淺埋煤層；頂板跨落；數值模擬；現場觀測；應力分布；初次來壓步距；強制放頂

涼水井煤礦位于陜西省神木縣，其井田屬于世界七大煤田之列的神府煤田，煤層穩定可靠，煤質優良，地質構造簡單，埋深較淺，其煤層開采時的礦壓顯現特征往往區別于埋深較大的礦井，尤其在初采期間，較為堅硬的頂板不能及時垮落，隨著初采工作面頂板跨距的增大，如不及時進行強制放頂往往形成采空區頂板大面積垮落。垮落所形成的沖擊波對工作面人員和設備能夠造成不可預測的災害。因此，本文通過建立初采期間數值計算模型，分析了初采期間直接頂和基本頂內的應力分布變化規律和塑性破壞區分布規律，并現場采用深孔爆破強制放頂措施控制頂板，取得了良好的放頂效果。

1　工作面地質概況

涼水井煤礦42112綜采工作面位于主采4-2煤層，位于延安組第二段頂部，煤層傾角為0°～3°，平均埋深為100 m，頂板基巖薄，上覆較厚的沙漠蓋層，屬于淺埋薄基巖類井田。工作面平均采高3.06 m，傾向長度310 m.南部為42111工作面采空區，北部為42113工作面實煤體區，工作面切眼東部為423盤區實體煤。整個工作面內無斷層等地質構造，根據以往工作面開采經驗，水平地應力對巷道和采場影響較小。該工作面的頂底板巖性見表1.

表1　42112工作面頂底板情況表

2　工作面初采期間頂板應力變化規律

2.1數值模型的建立

該工作面內煤層平均埋深100 m，平均采高3.06 m，面長為310 m，近水平。本文采用大型巖土類計算軟件FLAC3D進行數值計算，將頂底板地質條件簡化后，建立平面計算模型，見圖1.模型的尺寸為210 m×1 m×90 m，模型的底部和兩側為位移固定邊界條件，頂部施加大小為1.5 MPa、方向豎直向下的均布載荷，本構模型采用Mohr-Coulomb破壞準則，各巖層的巖石力學參數見表2.計算過程中對模型初采空間進行分步開挖，模擬推采空間分別為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m時的頂板內應力和塑性區分布情況。

圖1　數值計算模型圖

巖型體積模量K/GPa剪切模量G/GPa內摩擦角f/(°)黏結力C/MPa抗拉強度上覆巖層3.032.16221.60.6基本頂6.415.21313.51.4直接頂4.053.16242.70.8煤層2.031.01201.81.0直接底4.883.78312.00.8基本底4.02.9303.21.2

2.2初采模擬結果分析

1) 不同推進長度頂板的應力分布。

根據材料力學理論，受到上方均布載荷作用的兩端固支梁，隨著梁長度的增加，中部拉應力逐漸增大，當拉應力超過抗拉強度時引起梁的破壞。直接頂內的應力分布見圖2, 基本頂內的應力分布見圖3.從圖2可以看出，隨著工作面的推進，采空區上方的懸頂面積逐漸增大，直接頂中部的拉應力逐漸增大，工作面推進20 m后基本穩定，穩定后的拉應力值為0.8 MPa左右，已經達到了直接頂的抗拉強度，但是從圖3可以看出，在工作面推進度從20～30 m的過程中，采空區中部基本頂巖層內水平應力從壓應力逐漸變為拉應力，且到50 m時達到最大，基本穩定在1.4 MPa，此時達到了基本頂的抗拉強度。

圖2　直接頂內的應力分布圖

圖3　基本頂內的應力分布圖

2) 不同推采長度的拉剪破壞區分布。

不同推進長度的拉剪破壞區分布見圖4，從圖4可以看出，在工作面推進到40 m時，拉剪破壞區已經貫穿直接頂，當工作面推進到50 m時，基本頂中部已經有一定程度的拉伸破壞。此時老頂開始斷裂，頂板下沉量增大，工作面開始初次來壓。

根據數值模擬應力分析及拉剪破壞區分布特征推斷，42112工作面的初次來壓出現在工作面推進至50 m左右時。根據涼水井煤礦已開采的工作面經驗，類似地質條件下綜采工作面的初次來壓步距也在50～60 m，因此,模擬的結果與工程實踐相吻合，其分析結果有一定的理論價值。

3　頂板控制措施及現場觀測

3.1頂板控制措施

42112工作面傾向長度較大，為310 m，如果不采取有效的頂板管理措施，工作面出現初次來壓前將會形成大面積的懸頂，初次來壓期間頂板的大面積垮落會形成很強的沖擊波，工作面設備和人員可能會遭受不可預測的災害。工作面設備安裝完畢后，在支架后方開切眼頂板采用深孔爆破強制放頂措施是及時有效的頂板管理方法，具體的施工方案如下:

圖4　不同推進長度時頂板的塑性區分布圖

深孔爆破鉆孔布置圖見圖5.

圖5　深孔爆破鉆孔布置圖

如圖5所示，42112工作面長310 m，在工作面開切眼中布置52個深孔爆破鉆孔，孔間距為6 m，成孔直徑為92 mm，由于42112回風巷另一側為42111工作面采空區，為便于42112回風巷初采期間頂板控制達到較好的爆破效果，1#～3#鉆孔為正北傾向，4#～52#鉆孔為正南傾向，鉆孔的傾角都是45°，鉆孔的垂深為6～17 m，同時，1#～6#鉆孔為掏槽眼，7#～52#鉆孔為輔助眼。爆破采用煤礦特許的水膠炸藥和毫秒延期電雷管，PVC管裝藥，采用黃泥制作的炮泥封堵管口。分為3組起爆，首先是1#～6#掏槽眼起爆，然后是7#～29#輔助眼起爆，最后是30#～52#輔助眼起爆，3組之間單獨連線，組內炮孔成串聯式連線。

3.2現場觀測

42112工作面采用ZY12000/20/40D液壓支架，支架上安裝北京天地瑪珂公司的電液操作控制系統，且配套有支架頂板壓力監控系統，能夠很好地監測頂板的壓力情況。強制放頂后直接頂破碎冒落，工作面推進20 m左右時，支架壓力有所增大，工作面頂板局部出現淋水；工作面推進53 m時，采空區頂板開始出現大范圍大塊矸石的垮落，并伴隨著強烈的巖爆聲，部分支架壓力達到40 MPa以上，工作面涌水量增大，達到600 m3/h以上，此時基本頂初次來壓。基本頂初次來壓期間工作面頂板沒有出現大面積同時垮落現象，說明深孔爆破強制放頂措施方案合理，取得了較好的工程效果。

4　結　論

1) 通過建立數值計算模型，分析了42112工作面初采期間不同推進長度時采空區上方直接頂以及基本頂內的應力分布狀態和塑性破壞區分布狀態，得出基本頂的初次來壓步距為50 m左右。

2) 為防止堅硬頂板的大范圍跨落傷人，在工作面初采期間采取深孔爆破強制放頂措施。現場觀測表明，頂板初次來壓步距與研究結果基本吻合，且強制放頂方案合理，取得了較好的工程應用效果。

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Study on Initial Mining and Initial Roof Caving Control Technology of Fully Mechanized Mining Face in Liangshuijing Coal Mine

WU Lifei, CAI Minghua

The methods of numerical simulation and field observation is comprehensive used to research on the changing characteristics of stress distribution and plastic zone distribution of the goaf roof in the orking face during the primary mining. And the first weighting interval of main roof breakage is obtained. According to the possible impact damage caused by first weighting, adopts the method of deep hole blasting to force the hard roof collapse. Engineering practice shows that research results is consistent with the field observation. The engineering effect is perfect, and it not only guarantees the safe mining of the fully mechanized mining face, but also satisfies the requirements of normal production.

Shallow coal seam; Roof falling; Numerical simulation; Field observation; Stress distribution; First weighting interval; Forced roof caving

2016-05-17

武立飛(1989—)，男，河北石家莊人，2015年畢業于中國礦業大學，碩士研究生，助理工程師，主要從事巷道圍巖控制的研究工作

(E-mail)648421022@qq.com

TD322

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1672-0652(2016)06-0023-04