晶鑫煤业3105残煤复采工作面围岩控制技术研究与应用_茹道月.pdf

晶鑫煤业 3105 残煤复采工作面围岩控制技术研究与应用 茹 道 月 （山西阳城阳泰集团晶鑫煤业股份有限公司 ，山西 晋城 048100 ） 摘要为保障 3105 残煤复采工作面回采作业的顺利进行，根据 3 煤层旧式开采区的特征，结合 3105 复采工作面的布置特征， 通过数值模拟分析破碎顶板应力分布规律， 基于数值模拟结果确定工 作面回采时应尽量减小工作面回采对冒落层的扰动， 确定工作面采用 “多进度、 小循环” 的作业原则， 进一步结合复采工作面特征确定采用穿设钢钎 降低采高的方式进行围岩控制，并在围岩控制技术 进行支架工作阻力分析。结果表明 3105 复采工作面回采期间， 支架工作阻力正常， 无大范围煤壁片 帮现象， 围岩控制技术保障了工作面的安全回采。 关键词 残煤复采 ； 破碎顶板 ； 数值模拟 ； 工作阻力 中图分类号 TD 353文献标志码 A文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0025-04 Research and Application of Surrounding Rock Control Technology in Jingxin Coal Industry 3105 Residual Coal Re-mining Face RU Daoyue （Shanxi Yangcheng Yangtai Group Jingxin Coal Industry Co. LTD ， Jincheng 048100 ， China ） Abstract In order to ensure the smooth recovery of the 3105 residual coal mining face, according to the characteristics of the 3 coal seam old mining area, combined with the layout characteristics of the 3105 mining face, the stress distribution law of the broken roof is analyzed by numerical simulation and determined based on the numerical simulation results When working face mining, the disturbance of working face mining to falling stratum should be reduced as much as possible, and the working principle of “multi-progress, small circulation“ should be determined for working face. To control the surrounding rock and analyze the working resistance of the support in the surrounding rock control technology. The results show that during the recovery of 3105 mining face, the working resistance of the support is normal, and there is no large-scale coal wall sliver phenomenon. The surrounding rock control technology guarantees the safe mining of the working face. Key words Residual coal recovery ; broken roof ; numerical simulation ; working resistance 1工程概况 山西阳城阳泰集团晶鑫煤业股份有限公司 3 煤层旧式开采区主要位于井田的西南部和北东部， 面积约 2km2， 占整个井田面积的 40左右， 根据对 复采区域煤层现场观测并结合对旧式开采的地质 资料可知， 复采区域的大部分煤层的结构为底部有 0.81.0m 厚的实体煤， 其上部为冒落层， 冒落层厚 度为 2.33.5m， 松散煤体与完整煤体的平均煤厚为 3.3m， 煤层平均倾角为 5， 煤层赋存稳定， 结构相 对简单， 煤层上方基本顶岩层为粉砂岩， 底板为砂 质泥岩， 均厚 1.1m。 3 煤层 3105 工作面为第一个复采试采面， 工 作面长 160m， 顺槽长 470/440m， 工作面位置见图 1 所示，工作面采用综采放顶煤采煤工艺，采用 ZF2800/16/24 型液压支架支护顶板，支架初撑力为 1900kN，工作阻力为 2800kN，工作面两端头采用 ZFG3200/18/26 型 液 压 支 架 ， 支 架 工 作 阻 力 为 3200kN， 上端头和下端头各布置 3 架， 工作面区域端 头支架共计布置 6 架。由于工作面为旧式开采区域， 煤层顶板为冒落区域， 顶板岩层松软破碎， 现为保障 工作面回采作业的进行， 进行围岩控制技术的分析。 图 13105 复采工作面位置图 2破碎顶板应力分布规律 为有效分析工作面回采作业时， 破碎顶板的应 力分布规律，现采用 RFPA 数值分析系统，根据 3105 复采工作面的特征建立长高 11030 的数 值模型， 数值模型如图 2， 模型采用二维平面应变模 型， 模型划分为 550150 个单元， 模型划分为 6 个 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 25 ChaoXing 岩层， 每个岩层的力学性质参数见表 1。 模型在左侧 开挖， 开挖方向向右， 每步开挖 0.6m， 即 3 个单元， 采高 2.2m。在模型的上方给定一个 3MPa 垂直应力 来模拟 100m 的埋深。 图 1数值模拟模型示意图 表 1数值模型的力学参数 根据数值模拟结果， 得出工作面回采作业时围 岩破坏特征如图 2。 图 2工作面不同循环下回采破坏过程图 分析图 2 可知， 由于矿山压力的作用破碎岩体 和岩块之间有一定的凝结力， 并被压实， 对上覆岩 层起到一定的支撑作用； 在整个复采过程中， 冒落 区内的裂纹在不断扩大。当整个冒落区内形成较大 的宏观贯通裂纹时， 上覆岩层将发生破坏； 上覆岩 层裂纹则沿水平方向发展， 在工作面后方形成剪切 破坏， 工作面前方煤体的破坏以剪切破坏为主 （第 13 循环） 。 另外根据数值模拟结果， 得出回采作业下上覆 岩层、 冒落岩层和煤体中应力分布特征如图 3。 分析图 3 （a ） 可知， 在冒落区下回采时， 在冒落 区发生失稳破坏前， 由于冒落层的存在， 使其对应 力有一定的缓冲作用， 上覆岩层中应力集中现象不 明显， 应力均值在 3MPa 左右， 应力值波动不大。在 冒落区发生失稳破坏后，同样由于冒落层的存在， 上覆岩层中应力集中现象亦不明显， 但应力值波动 幅度增大， 在 1.5MPa～4MPa 之间浮动。 分析图 3 （b） 可知， 冒落层中的应力分布与上覆 岩层中的应力分布规律有一定的相似性， 在冒落区 发生失稳破坏前， 应力均值在 3.5MPa 左右， 应力值 波动不大。在上覆岩层发生失稳破坏后， 应力值波 动幅度较大， 在 1MPa～5MPa 之间波动。 分析图 3 （c ） 可知， 煤体中的应力分布与上覆岩 层及冒落层中的应力分布规律有一定的相似性。在 冒落区发生失稳破坏前， 应力均值在 3MPa 左右， 应 力值波动不大。在冒落区发生失稳破坏后， 应力值 波动幅度较大， 在 1MPa～6MPa 之间波动。 （a）上覆岩层应力分布 （b）冒落层应力分布 （c） 煤体中应力分布 图 3顶板岩层与煤体应力分布曲线图 基于上述分析可知，工作面在冒落区下复采 时， 由于冒落层的存在， 使其对应力有一定的缓冲 作用， 应力集中现象不明显， 应力值均有一定程度 的波动， 但冒落区发生失稳破坏后应力值的波动幅 度更大。基于此可知， 工作面回采期间应尽量减小 对上覆冒落层的扰动， 尽量减小采动影响对冒落层 的稳定， 降低工作面采高， 工作面推进过程中应采 用 “多进度、 小循环” 的作业原则来控制工作面顶板 和煤壁。 3围岩控制技术 3.1控制方案设计 由于顶板破碎时的顶板管理是决定该矿能否 连续、 安全生产的决定性因素， 因此， 基于上述破碎 顶板应力分布规律分析结果， 确定工作面破碎顶板 区域采用穿设钢钎 降低采高的围岩控制技术， 具 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 岩层 力学参数 3 煤底板基本顶 1基本顶 2 上覆岩层 冒落层 均质度21555151 弹性模量 /GPa331530501 抗压强度均值 /MPa1510030451005 泊松比0.30.250.20.20.20.35 26 ChaoXing 体设置方案如下 1）穿设钢钎措施 在液压支架顶梁与煤壁的交 接处打设 Φ353000mm 的钻孔，每台液压支架打 设钻孔 2 个，钻孔间距为 0.75m，钻孔倾角为 1015 （向上） ， 垂直煤壁布置， 钻孔施工完毕后及 时穿入钢钎， 钢钎规格为 φ283000mm 的圆钢， 为 使得钢钎对支架顶梁形成有效的支撑， 设置钢钎穿 入煤壁后的外露 20cm 长度，并在顶板区域铺设铁 丝顶网以防止破碎顶板岩块冒落。具体钢钎布置形 式如图 4 所示。 在工作面进行穿设钢钎作业时， 钢钎穿入完毕 后收回支架的伸缩梁， 保障支架顶梁前端与钢钎尾 部保持 5cm 左右距离， 随后降低支架顶梁使其低于 钢钎的平面， 再进一步伸出支架的伸缩梁确保液压 支架拖住钢钎。液压支架每穿设一次钢钎， 工作面 可推进 3- 4 刀， 工作面回采推进后确保钢钎处于煤 壁内的长度大于 0.6m， 工作面回采至钢钎处于煤壁 内的长度小于 0.6m， 进一步进行穿钎作业， 穿钎完 成后再进行回采作业， 如此循序渐进。 （a）平面图（b）Ⅰ- Ⅰ剖面 （c）Ⅱ- Ⅱ剖面 图 4工作面破碎顶板钢钎布置示意图 2）降低采高 基于上述数值模拟结果， 现为减 小回采动压对冒落层的影响， 确保采高处于实体煤 的高度内， 对采煤机的截割高度进行设计。另外为 确保支架前移和伸缩顶梁伸出后能够控制顶板煤 矸不致冒落， 结合穿设钢钎措施的实施， 能够在一 定程度上提升煤壁的稳定性， 减小工作面回采期间 煤壁端面的滑帮冒落现象，综合上述考虑可知， 复 采时工作面煤壁上松散体的高度越小越好， 以不超 过 1.0m 为宜，基于上述分析确定工作面采高≤ 2.2m， 回采作业形式采用“多进度、 小循环” 的原则， 设置循环进度为 0.5m。 3.2效果分析 3105 复采工作面回采期间进行液压支架的工作 阻力的监测， 根据监测结果可知， 工面不同区域液压 支架的工作阻力基本表现为相同的趋势，现具体以 25 液压支架的工作阻力曲线进行分析， 如图 5。 图 5工作面回采期间支架支护阻力曲线 分析图 5 可知， 工作面回采期间液压支架的最 大工作阻力为 2792kN，占到额定工作的 99.7， 平 均 工 作 阻 力 为 2355kN， 占 到 额 定 工 作 阻 力 的 84.1，基于此可知该回采期间该液压支架处于正 常工作状态。另外根据工作面回采期间的现场观测 可知， 回采期间液压支架无压架现象出现， 煤壁无 大范围的片帮现象出现，最大片帮深度为 0.2m， 最 大片帮范围为 2m， 故综合上述分析可知， 3105 复采 工作面采用穿设钢钎 降低采高的围岩控制技术 保障了工作面回采期间的安全。 4结论 根据 3 煤层旧式开采区的特征，结合 3105 工 作面的具体参数， 采用数值模拟具体分析工作面推 进通过破碎顶板区域时的应力分布规律， 确定工作 面回采扰动致使冒落层失稳时会致使应力变化程 度较大； 基于数值模拟结果， 确定工作面破碎顶板 采用穿设钢钎 降低采高的围岩控制技术， 根据工 作面回采过程中液压支架工作阻力的监测和现场 观测结果， 得出该围岩控制技术保障了工作面回采 期间的围岩稳定， 保障了工作面的顺利回采。 参考文献 [1] 王昆,唐海波,刘大鹏,徐忠和.混合残采区复采上覆岩层应 力时空演变特征研究[J].中国矿业,2020,29 （05 ） 157- 161. [2] 张童.峁底煤矿老窑破坏区残煤复采工艺研究[J].中国煤 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 27 ChaoXing 炭,2019,45 （12） 107- 112. [3] 蔡为益,张东升,常泽超,陶祥令.遗弃煤层复采综放工作 面矿压规律研究[J].矿业研究与开发,2019,39 （05） 55- 59. [4] 贺子明. 莒山煤矿 3 厚煤层下分层复采技术研究 [D].中 国矿业大学,2019. [5] 蔡为益. 厚煤层遗弃资源综放复采围岩控制机理与应用 研究[D].中国矿业大学,2018. [6] 任志峰.残煤复采工作面矿压显现规律的研究[J].山西焦 煤科技,2017,41 （12） 8- 1014. 作者简介 茹道月 （1988-） ， 男， 汉族， 山西省阳城县人， 2017 年 1 月毕业于太原理工大学采矿工程专业， 助理工程师， 现任晶 鑫煤业生产科科长， 现从事煤矿生产技术管理工作. （收稿日期 2020- 6- 5） 晶鑫煤业综放面煤壁片帮机理及控制技术 张 跃 兵 （山西阳城阳泰集团晶鑫煤业股份有限公司 ， 山西 晋城 048100 ） 摘要 为探究综放面煤壁片帮发生的机理及控制技术， 文章以晶鑫煤业 3217 综放面为工程背景， 分 析了采场煤壁片帮的原因， 提出了控制片帮的技术手段。 研究表明 煤壁上方顶板压力、 煤壁受水平支 护力和煤体自身性质是影响煤壁片帮的主要因素， 可以采取增大支架初撑力、 加大工作面推进速度和 煤壁补打木锚杆的措施进行控制， 结果显示 3217 综放面片帮范围减少至 35， 月产量提高了 44， 保证了工作面安全高效经济开采。研究成果为相似条件下综放面煤壁片帮控制提供了借鉴。 关键词 煤壁片帮 ； 变形破坏 ； 控制技术 中图分类号 TD353文献标志码 A文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0028-03 Coal Wall Rib Spalling Mechanism and Control Technology of 3217 Fully Mechanized Caving Face at Jingxin Mine ZHANG Yuebing （Shanxi Yangcheng Yangtai Group Jingxin Coal Industry Co. LTD ，Jincheng 048100 ， China ） Abstract In order to explore the mechanism and control technology of coal wall rib spalling occurrence in fully mechanized caving face, the article takes Jingxin Coal Industry 3217 fully mechanized caving face as engineering background, analyzes the reasons of coal wall rib spalling, and puts forward the technical means for controlling coal wall rib spalling. The research shows that the roof pressure above the coal wall, the horizontal support force of the coal wall and the nature of the coal body are the main factors affecting the coal wall rib spalling. The initial support force of the support, the advancing speed of the working face and the measures of hitting wooden anchors were controlled. The results showed that the range of 3217 fully mechanized caving face coal wall rib spalling was reduced to 35, and the monthly output was increased by 44, ensuring safe, efficient and economical mining of the working face. The research results provide a reference for the control of coal wall flank in fully mechanized caving face under similar conditions. Keywords coal wall rib spalling ； deation failure ； control technology 1工程概况 阳泰集团晶鑫煤业 3217 工作面位于矿井西采 区 630 水平， 工作面埋深 98132m， 平均 110m， 地 表为山坡耕地， 无其他建筑物。3217 工作面东为西 三级大巷、 南为西二级大巷、 西为矿界保安煤柱、 北为 3215 采空区。工作面主采 3 号煤层， 平均煤厚 4.8m， 煤层倾角 13， 属近水平煤层， 采用走向长壁后退 式综采放顶煤采煤法，全部垮落法管理顶板，采高 2.0m、 放顶煤高度 2.8m、 步距为 0.6m。工作面伪顶 为砂质泥岩， 厚度 2.1m， 质地松软破碎； 直接顶为性 脆致密的中粒砂岩， 厚度 3.3m， 裂隙发育， 岩心破 碎； 老顶为灰色细砂岩， 厚度 9.9m， 石英为主， 质地 较硬； 直接底为泥岩， 厚度 0.6m， 性脆致密； 基本底 为粉砂岩， 厚度 3.2m， 薄层状， 含较多砂质泥岩带。 由于 3217 工作面本身放顶煤工艺和煤层地质 条件的问题， 采场经常出现煤壁片帮， 造成顶板漏 冒的问题。片帮或漏冒后产生的煤岩块容易积聚在 采场周围， 给割煤、 运煤、 支护工作带来了极大不利 影响， 耽误了工作面正常生产进程， 严重威胁了人 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 28 ChaoXing