不同采煤工藝對圍巖控制的影響分析

曹黎宏

（山西鄉寧焦煤集團臺頭煤焦有限責任公司，山西 臨汾 042100）

據統計表明，我國煤炭儲量在全球范圍內處前列，而且國內厚煤層的儲量占據所有煤層的接近50%。針對厚煤層的開采如何實現安全、高效、合理的開采對于保證煤礦的生產效率和生產能力具有重要意義。目前，針對我國煤層、地質條件可適用的采煤工藝包括有分層綜合機械化開采、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規律的研究意義重大。

1 工程概況

以山西鄉寧焦煤集團臺頭煤焦有限責任公司5401 綜采工作面和1405 綜采工作面為例開展研究，具體對兩個綜采工作面的礦壓顯現規律進行對比分析。首先，對兩個綜采工作面的地質條件及開采條件進行概述。

1.1 5401 綜采工作面工程概況

5401 綜采工作面采用“三進兩回”的形式對巷道進行布置，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方式以錨網支護為主，以錨索支護為輔。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 綜采工作面的頂底板情況如表1 所示。

表1 5401 綜采工作面頂底板情況

目前，該工作面采用走向長壁后退式采高綜采工藝，采煤機對應的采煤高度為6 m，采用雙向開采的方式。煤炭可推進工作面的長度為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 綜采工作面的頂底板情況如表2 所示。

表2 1405 綜采工作面頂底板情況

1405 綜采工作面采用三巷的方式進行布置，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。該采煤工藝下對應采煤機回采率為95%，放頂煤的回采率為80%；對應的綜合回采率為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工作面的覆巖結構特征、工作面來壓特征、支架載荷、支撐壓力以及煤壁穩定性幾個層面進行綜合分析[2]。

2.1 采煤工藝對工作面覆巖結構特征的影響

首先，從理論結構模型的層面對不同采煤工藝下對應綜采工作面的覆巖結構的影響進行研究（如圖1 所示）。

圖1 不同采煤工藝下工作面覆巖結構模型對比

不同采煤工藝下對應綜采工作面的覆巖結構模型之間的差異最直觀的表現為工作面地表的沉降參數存在較大的差異[3]。就5401 和1405 綜采工作面實際開采時地表的沉降參數進行對比并總結如下：

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 工作面的采高遠遠大于1405 工作面，在實際開采中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行對比，對比結果如表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，在實際生產中5401 綜采工作面的平均推進速度為6 m/d；1405 綜采工作面的平均推進速度僅為1.8 m/d。總的來講，大采高開采工藝下直接頂的初次垮落步距大于綜放開采工藝；兩采煤工藝下對應的老頂初次垮落步距幾乎一致；大采高工藝下老頂的初次來壓的劇烈程度遠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，在實際生產中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]。在實際開采過程中兩種采煤工藝下對應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大于1405 工作面所采用的綜放工藝。導致上述現象的主要原因在于：大采高工藝下液壓支架的直接傳遞介質為巖層，巖層的傳遞性較好導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為煤層，由于煤層的泄壓能力優于巖層，其對應支架在來壓期間的載荷較小[5]。

此外，在實際開采中5401 綜采工作面煤壁片幫主要表現為三種形式，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象角1405 綜采工作面嚴重。

3 結論

分層綜采、大采高綜采和綜放開采為當前國內應用較多的開采工藝。對于不同采煤工藝在實際生產中對工作面的圍巖控制產生不同的影響。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行具體研究，并總結如下結論：

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

2）大采高工藝對應工作面的礦壓顯現規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行支護。