厚煤層綜采面覆巖破壞及控制應(yīng)用研究

趙 勇

(中煤資源發(fā)展集團(tuán)有限公司，北京 10013)

由于煤層的賦存及采面的快速推進(jìn)，工作面來壓規(guī)律也發(fā)生很大變化，采面覆巖的破壞程度增大，圍巖的變形破壞進(jìn)一步加大加深[1-2]。厚煤層開采可以最大限度地降低煤炭生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效能。隨著煤層的開挖，頂板覆巖的懸露范圍逐漸增大，采面以及巷道圍巖一定范圍的來壓強(qiáng)烈，工作面和巷道的支護(hù)難度增大[3-4]。以補(bǔ)連塔礦為研究背景，針對厚煤層綜采覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行分析[5-6]，提出符合實際生產(chǎn)的采面覆巖控制及管理措施，提高工作面的生產(chǎn)效率，保障工作面的安全生產(chǎn)。

1 概況

補(bǔ)連塔煤礦煤層賦存深度186 m，煤層傾角為2°，屬于近水平煤層，煤層厚度3.43～5.36 m，煤層的賦存及結(jié)構(gòu)相對簡單，工作面切眼長度300 m，連續(xù)推進(jìn)長度2800 m。煤層底板中裂隙的發(fā)育程度相對較弱，煤層底板巖層的完整程度相對較高，具有較好的承載能力。工作面選用傾斜長壁大采高一次采全高后退式開采，全部垮落法管理頂板。由于煤層頂板巖性主要為砂巖和砂質(zhì)泥巖且厚度較大，覆巖結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，基于厚煤層一次采全高頂板支護(hù)實踐經(jīng)驗，采面選用ZY11000/25/50 兩柱式掩護(hù)型液壓支架。采面平面圖如圖1。

圖1 綜采工作面平面圖

2 厚煤層工作面礦壓觀測分析

通過對厚煤層綜采面支架工作阻力進(jìn)行實測發(fā)現(xiàn)，在回風(fēng)順槽一側(cè)采面前方5 m 位置范圍的支護(hù)阻力達(dá)到最大值，頂板圍巖變形達(dá)到20 mm，而在運輸順槽一側(cè)其支護(hù)阻力相對較小，頂板圍巖變形為10 mm。在綜采工作面連續(xù)推進(jìn)階段，采面的來壓顯現(xiàn)主要出現(xiàn)在采面中部位置到尾部位置范圍，而在運輸順槽附近采面來壓顯現(xiàn)強(qiáng)度相對較小。在初始條件下采面支架阻力為1.1×104kN 時，頂板下沉量約為250 mm，峰值下沉量約為450 mm，片幫值為600～800 mm；當(dāng)采面出現(xiàn)來壓現(xiàn)象時，支架阻力從1.1×104kN 增加到1.2×104kN 后，頂板下沉量200～300 mm，煤壁片幫量400～500 mm。來壓時，靠采空區(qū)側(cè)位置的120#支架阻力最大，比其他支架平均值大1459 kN。通過上述支架阻力數(shù)據(jù)分析可得，在回風(fēng)順槽一側(cè)距采面20 m 范圍內(nèi)將出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)，并隨采面的連續(xù)推進(jìn)，應(yīng)力增高區(qū)的作用位置也會隨采面推進(jìn)而向前移動。

由于采面頂板覆巖的完整程度較高，采面初次來壓步距為61.8 m，較大的來壓步距需要對頂板覆巖進(jìn)行預(yù)裂處理，使頂板破斷并下沉充填采空區(qū)，降低采面支架以及巷道圍巖的應(yīng)力。當(dāng)采面出現(xiàn)周期來壓時，由于來壓強(qiáng)度具有非均勻性和非同步性，根據(jù)現(xiàn)場分析可知，在采面中部區(qū)域范圍內(nèi)頂板覆巖的下沉較大，因此在采煤中部區(qū)域位置容易出現(xiàn)垮落和壓架現(xiàn)象。

3 厚煤層大采高綜采面的支護(hù)

3.1 提高工作面煤體圍巖強(qiáng)度

隨著工作面的連續(xù)推進(jìn)，采場頂板中的應(yīng)力增高區(qū)也隨之不斷地向前移，此時工作面前方煤體以及煤柱所受的應(yīng)力作用增大進(jìn)而逐漸出現(xiàn)破壞失穩(wěn)，使其失去對頂板的支撐作用，因此要加強(qiáng)工作面前方煤體及煤柱的強(qiáng)度，一般采用固安特對煤體進(jìn)行加固，并根據(jù)其擴(kuò)散特性設(shè)計注孔間距及深度分別為4 m 和15 m，對工作面前方15 m 范圍圍巖及頂板實現(xiàn)有效控制。在操作過程中要注意，當(dāng)煤體開始出現(xiàn)來壓并產(chǎn)生少量裂隙時進(jìn)行作業(yè)。

對煤層進(jìn)行預(yù)加固處理后，在采煤推進(jìn)過程中，隨著煤壁應(yīng)力增高并未出現(xiàn)明顯破壞現(xiàn)象。

3.2 優(yōu)化工作面圍巖支護(hù)工藝

在回采過程中，頂板的及時支護(hù)對頂板管理起著非常重要的作用，隨著空頂時間增加，其破壞程度增加，頂板管理越加困難。通常在末采作業(yè)需進(jìn)行加網(wǎng)作業(yè)，主要操作在架間布設(shè)長8000 mm、直徑17.8 mm 錨索，并采用直徑22 mm 鋼絲繩進(jìn)行穿引，每隔兩架進(jìn)行一次穿鋼絲繩，最后使用絞車托起頂板。通過改進(jìn)作業(yè)方法，不僅提升作業(yè)質(zhì)量和效率，還有效地降低了作業(yè)所需時間，并實現(xiàn)了對頂板及時有效的支護(hù)作用。支護(hù)工藝如圖2。

圖2 工作面圍巖支護(hù)工藝圖

為了保證工作面頂?shù)装宓耐暾砸约捌秸龋枰A(yù)先進(jìn)行水平貫通標(biāo)識作業(yè)，鉆孔必須保證與刮板機(jī)高度相同，并每隔10 m 布設(shè)一個鉆孔，使用裝滿白灰的PVC 管提供高度標(biāo)識；其次在末采時必須及時地對頂板和圍巖進(jìn)行測量觀測，及時調(diào)整采面采高；制定合理施工組織計劃和調(diào)配計劃，提高采面作業(yè)效率，減少頂板空頂時間。

4 頂板控制效果分析

通過上述方法對工作面頂板及圍巖進(jìn)行控制，并對巷道圍巖運移進(jìn)行實測發(fā)現(xiàn)采面端頭前5 m 范圍支護(hù)阻力最大，頂?shù)装逡平?0 mm/周，巷道頂板應(yīng)力相對較小時的移近量10 mm/周。采面正常開采階段，來壓壓力主要集中在采面中部到機(jī)尾段，支架額定工作阻力1.1×104kN 時，頂板下沉量為200～300 mm，最大下沉為400～500 mm，片幫值為600～800 mm，支架阻力從1.1×104kN 提高到1.2×104kN 后，來壓時工作面頂板下沉量為200～300 mm，片幫量為400～500 mm。當(dāng)工作面巷道緊相鄰區(qū)段采空區(qū)，巷道超前20 m 的范圍內(nèi)將會承受相鄰采空區(qū)的應(yīng)力轉(zhuǎn)移。

5 結(jié)語

本文通過采用固安特對采面前方煤壁進(jìn)行預(yù)先加固處理，保證煤體的完整性，增加對頂板的控制作用，同時進(jìn)一步對采面頂板控制工藝進(jìn)行改進(jìn)，并通過其他頂板控制方法對補(bǔ)連塔煤礦大采高綜采面進(jìn)行有效的控制，解決了頂板易離層破壞難管理的問題，為類似條件下大采高綜采面提供了一定指導(dǎo)。