大采高综采工作面煤壁片帮机理及控制技术.pdf

第3 6 卷第9 期 2 0 0 8年 9月 煤 炭 科 学技 术 COAL SCI ENCE AND TECHNOLOGY Vo L 3 6 N o ． 9 S e p． 2 00 8 大采高综采 工作面煤 壁片帮机理及控 制技术 华心祝，谢广祥 安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室 ，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 摘要为控制大采高综采工作面煤壁片帮 ，通过理论分析、数值模拟、现场实测等研究方法，研 究 了大采高综采工作面煤壁片帮机理 ，在此研究基础上 ，根据淮南张集矿 1 2 1 5 3 大采高综采工 作面具体条件 ，提 出了俯斜开采 、采用高阻力结构合理的液压支架、加快工作面推进速度 、加 固煤 壁和及 时带压移架等控制煤壁片帮技术，应用实践表 明，控制煤壁 片帮效果 良好。 关键词 大采高综采 ；煤壁片帮 ；控制技术 中图分类号 T D 3 2 3 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 32 3 3 6 2 0 0 8 0 9 0 0 0 1 0 3 Co a l wa l l s p a l l i n g me c h a ni s m a nd c o nt r o l t e c hn o l o g y o f f ul l y m e c h a n i z e d hi g h c ut t i n g l o n g wa l l c o a l m i ni n g f a c e HUA Xi n z h u，XI E Gua n g x i a n g P r o v i n c i a l a n d Mi n i s t r y C o o p e r a t e d K e y L a b of C o a l Mi n e S a f e t y a n d H i g h E ffic i e n t Mi n i n g ， A n h u i U n iv e r s i t y ofS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a Abs t r a c tI n o r de r t o c o n t r o l t he c o a l wa l l s p a l l i ng i n t h e f ul l y me c ha n i z e d hi g h c u t t i n g l o ng wa l l c o a l mi ni n g f a c e，wi t h t h e t he o r e t i c a n a l y s i s ，n u me r i c a l s i mu l a t i o n，s i t e me a s u r e me n t a nd o t he r r e s e a r c h me t h o ds ，t h e pa p e r s t u di e d t h e c o a l wa l l s p a l l i ng me c h a ni s m o f t h e f ul l y m e c h a n i z e d l o n g w a l l c o a l m i n i n g f a c e ．B a s e d o n t h e s t u d y a n d a c c o r d i n g t o t h e c e r t a i n c o n d i t i o n s o f t h e 1 2 1 5 3 f u l l y m e c h a n i z e d h i g h c u t t i n g l o n g w a l l c o a l m i n i n g f a c e i n Z h a n g j i Mi n e o f H u a i n a n C o a l Mi n i n g G r o u p ，t h e p a p e r p r o v i d e d t h e d o w n i n c l i n e d mi n i n g w i t h t h e h i g h r e s i s t a nc e a n d r a t i o n a l s t r uc t ur e h yd r a u l i c p o we r e d s u pp o r t s ，wi t h a r a p i d mi n i n g f o r wa r d s p e e d，c o a l wa l l r e i n f o r c e d t e c h n o l o g y，t h e p r e s s u r i z e d p o we r e d s u p p o r t mo v i n g f o r w a r d a n d o t h e r s p a l l i n g c o n t r o l t e c h n o l o gy．T h e a p p l i e d p r a c t i c e s s h o we d t h a t t h ea l l i n g c o n t r o l r e s u l t s we r e g o o d． Ke y wor dsf u l l y me c h a ni z e d h i g h c ut t i n g l o n g wa l l c o a l mi n i n g；c oa l wa l l s p a i l i n g；c o nt r o l t e c h no l o gy 厚煤层储 量在 我国煤炭储量 中约 占 4 4 ％ ，其 产量 比重约 占原煤 产量 的 4 5 ％左右 。大采高综采 是对厚度不小于 3 ． 5 m的厚煤层一次采全高的开采 方法 ，与分层开采相 比，大采高综采具有生产能力 大、单产高 、巷道布置与工序简单 、巷道掘进量与 维护量小 、回采工效和煤炭资源采出率高 、设备搬 家倒面次数少和节约假顶材料等优点 ；与放顶煤开 采相比大采高综采具有工序减少 、煤炭资源采出率 高 ，含矸率少及采面煤尘少等优点。大采高综采 目 前已经成为我 国开采缓倾斜厚煤层的主要发展方 向 之一 ，也是建设 一井一 面 或 两面 的安全 高效 现代化矿井 的主要采煤方法之一 。 然而 ，实践证 明大采高综采工作 面矿压显现加 剧 ， 易发生煤壁片帮 ，煤壁片帮后 易导致端面顶板 垮落 ，从而给安全生产带来隐患并影 响工作面正常 推进 ，如何有效控制煤壁片帮是大采高综采工作面 能否安全高效开采并取得 良好经济效益的关键 ，故 开展大采高综采工作面煤壁片帮机理及控制技术研 究 。 1 大采高综采工作面煤壁片帮机理 众所周知 ，煤壁 片帮是煤体在 矿 山压 力作 用 下 ，煤体破碎后滑塌下来的一种矿压显现现象。由 于大采高工作面煤壁高 、自稳性差 ，大多已处于破 碎状态 ，其承载能力 已经很小甚至已经没有承载能 力 ，且 由于受所处的位置以及生产工艺的限制，难 以给煤壁施加 围压 ，即无 法使其处 于三 向受压状 态 ，在煤壁附近的煤体处于二 向应力状态甚至单 向 应力状态 ，其支撑能力大幅降低 ，煤体上的支承压 力通常超过煤体极限强度 ，由于支承压力 的增加或 1 维普资讯 2 0 0 8 年第9 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 6 卷 煤体强度 的降低均会导致该区煤壁外鼓量的增加 ， 从而导致煤壁片帮。下面分析有关 因素对煤壁片帮 的影响。 1 ． 1 工作面推进方向对煤壁片帮深度影响 工作面煤壁破坏主要有压剪式、滑落式等形 式 。下面分析工作面推进 方 向对煤壁片帮深 度 的影响。 1 仰斜工作面煤壁片帮深度 。由图 l a计算可 得 ，仰斜工作面压剪式最大片帮深度 A a 约为 A 口 1Mt a n 4 5 。 一 ／ 2 1 式中肛一煤层厚度； 煤层倾角； 煤层内摩擦角。 a 仰斜工作面 b 俯斜工作面 图1 仰斜、俯斜工作面片帮深度 仰斜工作面滑落式最大片帮深度约为 ’ A b 1Mt a n 9 0 。 一 2 从上面两式可 以看出，采高和俯斜 角度 越 大 ，片帮深度越大。 2 俯斜工作 面煤壁 片帮深 度。由图 1 b计算 可得 ，俯斜工作面压剪式最大片帮深度约为 A a 2Mt a n 4 5 。一 一 ／ 2 3 俯斜工作面滑落式最大片帮深度约为 A b 2Mt a n 9 0 。一 一 ／ 2 4 3 走 向长壁工作面煤壁片帮深度 。走 向长壁 工作面压剪式最大片帮深度约为 A a 3Mt a n 4 5 。一 ／ 2 5 走向长壁工作面滑落式最大片帮深度约为 A b 3Mt a n 9 0 。一 6 从 以上计算可以看出，对于俯斜 、仰斜 、走向 长壁工作面 3种推进方 向，在相 同的条件下，仰斜 开采片帮深度最大，走向其次 ，俯斜开采最小。 1 ． 2 数值模拟不同推进方向时煤壁屈服破坏情况 通过 F L A C 。 D 数值模拟 ，研究 了淮南张集矿 1 3 2 1厚煤层 大采高综 采工作 面俯 斜开采 、仰斜 开 采、走 向开采 3种不同推进方向时煤壁屈服破坏情 况 ，模拟结果表 明 ，仰斜开 采时煤 壁屈服 区宽 度为 8 m，俯斜开采时煤壁屈服区宽度为4 m，走 向开采时煤壁屈服区宽度为 6 m，俯斜开采屈服区 宽度最小 ，仅为仰斜开采的一半。 1 ． 3 现场实测研究不同推进速度时煤壁片帮情况 通过现场实测研究了厚煤层大采高综采工作面 在不同推进速度时煤壁片帮深度和长度的关系 ，实 测结果如图 2所示 ，由图 2可以看出 ，片帮与工作 面推进速度有很大关系 ，当工作面因故停产时 ，工 作面片帮深度和片帮长度 明显增加 ，当工作面正常 推进时，片帮现象不 明显 ，当工作面快速推进时可 以避免煤壁片帮。 2 1 ． ． 霎o ． o ． g ＼ 辩 工作面推进度／ m． d - 1 a 推进 度与片帮深度 工作面推进度／ m． d - 1 b 推进度与片帮长度 图2 工作 面推进度对煤 壁片帮深度 与长度 的影响 1 ． 4煤层注水防治煤壁片帮的原理分析 随着工作面的回采 ，在工作面前方会产生支承 压力 ，如果作用力超过了煤 的破坏强度时，煤壁会 发生片帮 ，煤层注水前后工作面前方支承压力 的变 化曲线如图3 所示 ] 。煤层注水作用是煤体经高 压注水改变了煤体的原始裂隙结构， 使煤体脆性降 低 ，增强了塑性变形的性质 ，促使前方塑性变形区 卸压带加宽和支承压力峰值降低 ，使支承压力 区和峰值点远离煤壁，从而避免煤壁片帮的发生或 使其强度减弱。 1 ． 5 运用极限平衡理论研究煤壁片帮影响因素 根据煤壁前方煤体的变形特点 ，将其划分为破 维普资讯 华心祝等大采高综采工作面煤壁片帮机理及控制技术 2 0 0 8年第 9期 l 、， 一、 、 1 一注水前支承压力曲线 ；2 一注水后支承压力 曲线 ； I 一注水 前卸压带距 煤壁最 大深度 ；I I 一 注水前工作面前方支承压力带 距煤壁最大深度 ；Ⅲ一注水前工作面前方正常压力 区； I 一 注水后卸压带距煤壁最大深度 ； lI 一 注水后支承压力带距煤 壁最大深度 ；Ⅲ 一 注水后 的正常压力区 图 3 注水前 后支承压 力的变化情况 碎区、塑性区及弹性区 3个区段 ，对应地分别将 3 个区段煤 的变形过 程划分为 塑性 流动 残余 变形 阶段 、塑性变形 、弹性变形 3个阶段 ，再给 出 3 个阶段煤体强度的本构关系，在此基础上运用极限 平衡理论 ，分别推导出了俯斜开采、仰斜开采及走 向长壁开 采煤壁 破碎 区宽度 的理 论计 算公 式 J ， 据此公式可知 采高 、煤层倾角 、煤体软化模量 、 应力集 中系数 、煤体抗 压强度 、煤体 残余抗压 强 度 、煤体 内摩擦角 、煤岩接触处 内摩擦角、煤体黏 聚力 、护帮力 、煤层 的埋 深及工作 面推进方 向共 l 2个因素对煤壁片帮都有不同程度的影响。 2 大 采高综采工作面煤壁片帮控 制实例 淮南矿区张集煤矿 1 2 1 5 3 工作面 ，位于矿井 一 6 0 0 m水平西一采区 ，工作面标 高 ⋯ 4 1 0 5 7 0 IT I ，工作面沿倾斜方向长度为 1 1 9 0 1T I ，工作 面长 2 0 0 1T I ，工作面开采 C 1 31煤层 ，煤厚 3 ． 6～4 ． 2 n l ，平均为 3 ． 9 m，煤层倾角 6～1 0 。 ，平均 8 。 。煤 层赋存较稳定 ，结构简单 ，煤层松软 ，普氏系数为 0 ． 7～1 ． 2 ，设计采用大采高综合机械化采煤方法。 根据张集煤矿 1 2 1 5 3 工作面具体条件 ，依 据对煤壁片帮机理研究结果 ，提出了以下控制大采 高综采工作面煤壁片帮措施。 1 采用俯 斜开采 。工作 面煤壁片帮程度与工 作面推进方向密切相关 ，工作 面采用仰斜开采时 ， 会增加片帮的可能性 ，采用俯斜开采可 以避免煤壁 片帮或减轻煤壁片帮程度 。 2 研制 了 Z Z 6 0 0 0 ／ 2 1 ／ 4 2型高 阻力结构 合理 的大采高综采液压支架。该支架的特点为 支架额 定初撑力较大 ，远大于淮南矿区当时使用的其他所 有支架 的初撑力 ，提高支架主动支撑顶板的能力 ， 以减轻顶板对煤 壁 的垂 直作用 ，这 是保持煤 壁完 整 、抑制片帮的最积极 、最有效 的措施之一 ；支架 具有较大的面向煤壁的水平力 ，它可使伸缩梁及伸 缩梁上带的护帮板平时紧抵煤壁 ，抑制煤壁发生裂 隙和片落 ；具有带压移架的功能。 3 加快工作面推进速度。工作面推进速度慢 ， 煤壁暴露时间长 ，煤壁片帮加剧 。加快工作面推进 速度 ，可以减少超前支承压力的影响范围、减少支 承压力对煤体的作用时间及降低煤壁损伤程度 ，从 而可以减小煤壁 片帮程度 。为此 ，设计 1 2 1 5 3 工作面 日推进不小于 7 ． 2 1T I 。 4 充分发挥 支架护帮装置作用 。在机组割煤 前 ，提前于采煤机 1～2架才将护帮板 收起 ，使工 作面煤壁始终在护帮板支撑下。研究表明，大采高 工作面煤壁片帮程度与是否采用支架 护帮板有关 ， 据统计 ，没有护帮板支护下的片帮概率约为有支护 的3倍。采用护帮板可 以增加煤壁的侧 向约束力 ， 使用护帮板并使其靠紧煤壁 ，煤壁 片帮程度则会减 小 ；相反 ，护帮板没有使用或使用不 当，其片帮程 度将会增大 ，如果全工作面的支架护帮板都能发挥 其护帮作用 ，工作面煤壁片帮程度则会相应减小。 5 全方位 连续 动态监测工作面矿压。采用智 能矿压监测仪 ，对工作面矿压进行 了全方位连续动 态监测 ，结合理论计算 ，预测预报工作面顶板来压 时间，并在工作面来压期间采取有效措施减少片帮 程度 ，如加强支架支撑力 、确保支架稳定性及加强 管理等。 6 加 固煤壁 。当工作面遇到断层 等异 常带或 煤体很破碎时，可采用注浆加 固的方法加固煤壁以 增加煤体强度 。 7 及时带压移架并提高初撑力。及 时带压移 架并提高初撑力 ，可以及时支护顶板使顶梁与顶板 接触 良好 ，可以减小煤壁前方支承压力 ，从而可以 避免煤壁片帮的发生或减轻煤壁片帮程度。 8 异常情况下控制煤壁 片帮措施。当工作面 已发生片帮或 冒顶 ，或遇到异常带时 ，采取适当降 低采高、减少采煤机截深或加固煤壁的方法 ，并提 高采煤机牵引速度 ，减少片帮程度 。 9 其他控制技术。除 以上列举 的措施可 以防 下转第 2 4页 3 维普资讯 2 0 0 8 年第9 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 6 卷 检验孔 ，直至检验孔都无渗 、涌水现象时正常封孔 即可 。 3过老巷段施工要求 注浆完毕 ，为保证顺利通过老巷段 ，所剩岩帽 要尽可能一次揭开 ，出渣时要安排专人对注浆效果 进行观察 ，发现有渗水等异常现象时及时处理。要 按加 固设计要求 ，开够壁厚 ，挂好井圈，提前调整 滑模段高 ，力争一个完整段高穿过老巷 。老巷段成 井 2 5 d后 ，对壁后煤体进行注浆加 固。注浆孑 L 按 3 排布置，一排布置在煤层层厚当中，距此排 2 m 上 、下各布置 1 排 ，上、下孔 口错开 ；每排深 、浅 孔间隔设置 ，深孔 4 m，浅孔 1 ． 5～ 2 ． 0 m，深孔终 孔间距按 6 m控制 ；注浆管使用 0 4 2 m m和 0 2 5 m m 无缝钢管与橡胶膨胀垫组合加工而成的内外套管止 浆塞 ；注浆终孔压力浅孔不超过 4 ． 0 MP a ，深孔可 适当提高。 4堵水及施工效果 该次老巷注浆堵水从工作面接近老巷顶板 3 ． 5 m时开始准备 ，到堵水结束 ，共用时 6 ． 7 d ，消耗 水泥 3 4 0 t ，水玻璃 1 8 0 t ，填入骨料 1 7 m 。老巷 揭开后，注浆墙体已坚硬如石，没有漏水或渗水现 象 ，堵水效果十分理想。砌壁完成并经壁后注浆加 固后 ，至今已 6个多月 ，老巷段及上下井壁无任何 异常 ，井壁质量稳定。 5 结 语 井筒穿过含水老巷并在老巷内实施定点注浆堵 水 ，对注浆技术和井壁支护都提出了新 的要求。要 顺利通过老巷段 ，一是要高度重视防治水问题 ，接 近水体时，除事先搞好水情调查外 ，必须坚持有掘 必探 ，准确控制工作面到水体 的距离 ，谨 防突水 。 二是要制定一个切合实际的堵水方案并精心实施 ， 施工过程 中要发挥操作人员的积极性 ，及时调整有 关参数。三是把好注浆效果检验关 ，由于水体水量 大 ，有压力 ，危险程度高 ，任何一个检验孔有渗水 或涌水时，都必须复注 ，并重新打孔检验。四是地 应力大或特殊地质情况段的井壁支护 ，要突破传统 的单一支护设计模式 ，应采取加厚井壁、增加井圈 或配筋、注浆加固围岩等联合支护技术 ，以确保 以 后井筒使用过程中不发生变形 ，避免出现不可挽 回 的损失。 参考文献 [ 1 ] 崔云龙 ，曹静 ，虞成 祥 ，等 ．简 明建井工 程手 册 [ M] ． j E 京 煤炭工、 I 出版社 ．2 0 0 4 ． 作者简介闫昕岭 1 9 6 9一 ，男，河南长垣人，高级工程 师 ， 硕士研究生，现任平煤建工 集团有限责任公司建井三处 总 工程师 o T e l 0 3 7 5 2 7 2 7 2 2 3 ，Ema i l s a n c h u y a n 1 2 6 ． t o m 收稿 日期2 0 0 8 0 5 2 5 ；责任编辑 王晓珍 上接第 3页 治或减少煤壁片帮外 ，还可以采取煤壁注水 、减小 采煤机截深、防止支架歪斜倾倒 、提高工作面工程 质量、加强设备检测维修、在设计工作面时应避开 上覆煤层遗留煤柱对工作面造成压力增高、优化两 端支护技术及三机配套等措施。 1 2 1 5 3 工作面在回采过程 中通过采取 以上 措施 ，有效控制了煤壁片帮 ，保证 了工作面快速推 进，工作面最高 日产达 1 1 9 7 0 t ，最高月产 2 6 ． 2 6 万 t ， 确保 了大采高综采工作面安全高效开采。 有效控制大采高综采工作面煤壁片帮是实现安 全高效开采并取得良好经济效益的关键，本文研究 了大采高综采工作面煤壁片帮机理及控制技术 ，研 究认为通过采取俯 斜开采 、加快工作面推进速度 、 采用高阻力结构合理的液压支架、加固煤壁和及时 2 4 带压移架等措施 ，可避免煤壁片帮的发生或减轻煤 壁片帮程度。 参考文献 [ 1 ] 李建国 ，田取珍 ，杨 双锁 ．综采 放顶煤 工作 面俯 、仰斜 开 采对煤壁 片帮 的影响机 理 研究 [ J ] ．太 原理 工大 学学 报 ， 2 0 0 4 4 ． ’ [ 2 ] 华心 祝 ．倾斜 长 壁大 采 高综 采工 作 面 围岩 控 制机 理研 究 [ D] ．北京 中国矿业大学 北京，2 0 0 5 ． [ 3 ] 张永吉，李 占海，秦伟瀚，等 ．煤层注水技术[ M] ．北 京 煤炭工业 出版社 ，2 0 0 0 ． 作 者简 介 华心祝 1 9 6 4一，男 ，安 徽 潜山 人 ，教 授 ，博 士，博士生导师，现在安徽理工大学从事采矿工程方面的教学和科 研工作。T e l 0 5 5 46 6 6 8 7 5 9，Em a i l x z h h u a a u s t ． e d u ． c n 收稿 日期2 0 0 8 0 5 0 8 ；责任编辑曾康生 维普资讯