大海則礦超大采高綜采煤層及圍巖強(qiáng)度適應(yīng)性分析

文/楊國(guó)強(qiáng)

大海則礦超大采高綜采煤層及圍巖強(qiáng)度適應(yīng)性分析

文/楊國(guó)強(qiáng)

近年來，隨著綜采設(shè)備制造技術(shù)的飛速發(fā)展，綜采設(shè)備走向重型化、強(qiáng)力化和自動(dòng)化，使設(shè)備的可靠性得到保證，有力地推動(dòng)了大采高綜采技術(shù)的發(fā)展，帶來了新一輪采煤技術(shù)的革命。目前，部分條件好的礦區(qū)已經(jīng)開始探索采用8.0～8.5m大采高綜采技術(shù)的可行性。但對(duì)于大采高深部開采礦井，煤壁的穩(wěn)定性是保證采煤方法成功的核心因素。本文通過應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論分析、工程類比與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了大海則礦2#煤層超大采高條件下的煤層及圍巖強(qiáng)度適應(yīng)性，為后續(xù)合理采煤方法的選擇及設(shè)備選型配套奠定了基礎(chǔ)。

一、煤巖結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)分析

1.煤巖結(jié)構(gòu)分析

現(xiàn)場(chǎng)采集2#煤層直接頂、煤層和直接底煤，進(jìn)行微結(jié)構(gòu)分析。2#煤直接頂以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，粘土礦物為巖石主體，內(nèi)含泥礫結(jié)構(gòu)多呈扁平體狀，大小不一，大體與層面平行，基本做到了隨采隨冒。

2#煤層次生裂隙較發(fā)育，易沿層面裂開，由于粘土礦物相對(duì)較多，且夾矸為粉砂-泥狀結(jié)構(gòu)，大體垂直層面分布，使得煤層更容易產(chǎn)生離析，進(jìn)而導(dǎo)致片幫。2#煤層直接底以原生泥礫為主，粉砂巖老底粘土礦物含量達(dá)70%，基本上能保證支架的快速拉移。但部分區(qū)域泥巖直接底粘土礦物含量達(dá)42%，需防止遇水軟化，造成底鼓。

2.煤巖物理力學(xué)分析

采集新揭露煤樣，分別測(cè)試煤樣的單軸抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、變角剪強(qiáng)度、粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角。從抗壓強(qiáng)度看，最大值15.98MPa，最小值8.76MPa，平均值12.99MPa，屬于軟煤。在超大采高條件下，需防止煤壁片幫冒頂甚至災(zāi)變的風(fēng)險(xiǎn)，后期需進(jìn)行詳盡的煤壁穩(wěn)定性分析，并在煤層充分揭露后，補(bǔ)做充足的煤巖物理力學(xué)測(cè)試。

二、煤層頂?shù)装鍙?qiáng)度分析

1.頂?shù)装鍘r性分析

井田所屬2#煤層厚度4.41～10.97m，平均厚度6.32m。將2#煤層與其它條件大采高礦井類比分析。一方面，大海則2#煤層頂板主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，能夠做到隨采隨冒，2#煤層頂板的及時(shí)垮落能在一定程度上減緩支架的載荷和煤壁壓力，防治片幫和冒頂。另一方面，如果頂板完整度不好，架間容易冒落，傷人。目前來看，頂板強(qiáng)度能夠滿足要求，且2#煤層底板以泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，粉砂巖的比例較高，強(qiáng)度中等，有利于支架的快速推移。煤層頂?shù)装鍡l件較好，能滿足控頂和支架的快速推移。

2.支架底座穩(wěn)定性分析

底板承受支架的全部載荷，對(duì)支架的底座影響較大，底板的軟硬和平整性，基本決定了支架底座的結(jié)構(gòu)和支承面積。選型時(shí)，要驗(yàn)算底座對(duì)底板的接觸比壓，其值要小于底板的允許比壓。為此，采用專業(yè)數(shù)值分析軟件，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得允許底板比壓值作為底座的極限值并建立支架對(duì)底板的受力分析模型。

通過支架對(duì)底板受力分析可以看出，底座中部下方的底板受力最大，變形也最為明顯，約9mm。底座前端下方底板受力不大，變形較不明顯。數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比工作面現(xiàn)場(chǎng)底板比壓測(cè)定結(jié)果可知，支架在正常工作范圍內(nèi)施加給底板的作用力不足以使其破壞。因此，支架底板最小比壓需要選擇大于0.92。同時(shí)，大海則礦回采過程中可能會(huì)出現(xiàn)涌水量較大情況，且煤層底板自身遇水泥化后強(qiáng)度急劇降低，這將給工作面頂板管理、支架移架等帶來不利影響。

三、煤層強(qiáng)度適應(yīng)性分析

1.煤壁穩(wěn)定性分析

針對(duì)2#煤層的特定條件，其核心因素是煤層強(qiáng)度和裂隙發(fā)育程度，通過探水鉆孔的實(shí)際鉆進(jìn)表明，煤體裂隙不發(fā)育。因此，煤層強(qiáng)度對(duì)能否采用超大采高綜采起決定作用。回采工作面煤壁若不考慮護(hù)幫，煤壁暴露后，在巖層垂直支承壓力作用下將發(fā)生近似單軸壓縮破壞，其實(shí)質(zhì)是壓拉型脆性破壞，可近似按單軸破壞條件考慮。壓拉破壞的條件為：

式中，km為壓拉破壞指數(shù)；σz為煤體垂直應(yīng)力，MPa；Rc為煤體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；τ0為煤體抗剪粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；φ為煤體內(nèi)摩擦角。

計(jì)算得出2#煤層壓拉破壞指數(shù)為0.94，尚不足以造成破壞，但回采過程中必然產(chǎn)生超前應(yīng)力集中，極易發(fā)生片幫。結(jié)合大采高工作面煤壁在超前支承壓力作用下往往已發(fā)生塑性破壞情況，因此，建立平面剪切滑動(dòng)破壞模型，其臨界穩(wěn)定高度為：

式中，Hcr為采場(chǎng)臨界高度，m；C為巖體內(nèi)聚力，MPa；γ為巖體體積力，kN/m3；φt為剪切滑動(dòng)體的速度矢量與滑動(dòng)面的夾角。將2#煤層的參數(shù)代入計(jì)算，得到Hcr與φt的關(guān)系。

由于φt參數(shù)較難確定，若割煤高度達(dá)到6.9m，則φt達(dá)到70.6°。通過數(shù)值模擬分析得到速度矢量與煤壁夾角為61°～68°，φt按61°考慮，Hcr為4.56m。即臨界穩(wěn)定高度為4.56m，其上部分的煤壁容易發(fā)生煤壁片幫，為實(shí)現(xiàn)順利回采，護(hù)幫高度至少達(dá)到2.4m，超大采高綜采支架一般采用三級(jí)護(hù)幫，護(hù)幫總長(zhǎng)度可達(dá)3500mm，滿足護(hù)幫要求。

2.煤壁片幫強(qiáng)度分析

通過實(shí)驗(yàn)和分析得出，煤壁片幫規(guī)模和支承壓力分布情況，7m割煤高度時(shí)煤壁相對(duì)穩(wěn)定高度在4.5m左右，該范圍內(nèi)發(fā)生輕微片幫，片幫深度在0.5m以內(nèi)；4m割煤高度下僅在煤壁發(fā)生輕微片幫，片幫規(guī)模較小。7m割煤高度時(shí)超前支承壓力的峰值區(qū)域在工作面煤壁前方5m處，割煤高度4m時(shí)，支承壓力峰值區(qū)域在工作面煤壁前方2m處。表明在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)4.5m以上部分煤壁的加固，并采取有針對(duì)性的措施，確保超大采高綜采的順利實(shí)現(xiàn)。

四、結(jié)論

1.根據(jù)煤層及頂?shù)装鍑鷰r微觀組分及結(jié)構(gòu)分析，大海則2#煤層頂板主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，能夠做到隨采隨冒；2#煤層底板為粉砂巖的占比較高，強(qiáng)度中等，有利于支架的快速推移，但井田局部區(qū)域泥巖組分含量較高，需防止底鼓危險(xiǎn)。

2.分析得到深部超大采高綜采成功的關(guān)鍵因素為煤壁的穩(wěn)定性，其核心是煤層強(qiáng)度和裂隙發(fā)育程度，2#煤層強(qiáng)度偏低，屬于軟煤，工作面開采時(shí)需采取足夠的防片幫措施。

3.理論分析表明，2#煤層采用超大采高綜采預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)生煤壁片幫，但限定于煤壁4.56m以上區(qū)域，該位置需要采取護(hù)幫等措施，數(shù)值分析結(jié)果也表明，2#煤層煤體穩(wěn)定高度在4.5m左右，其上部分容易片幫，片幫深度可達(dá)1m，片幫區(qū)域會(huì)呈現(xiàn)三角形整體滑落狀態(tài)破壞。

4.綜合分析表明，2#煤層若采用超大采高綜采，支架護(hù)幫長(zhǎng)度應(yīng)在2.4m及以上，并需采取局部化學(xué)加固、工作面快速推移等綜合措施，以利于工作面的安全、高效開采。

（作者單位：中煤陜西榆林能源化工有限公司）

（責(zé)任編輯：周瓊）