极软厚煤层大采高台阶式综采端面煤岩稳定性控制研究.pdf

第 37卷 第 6 期 中国矿业大学学报 Vol. 37 No. 6 2008 年 11 月 Journal of China University of Mining 国家自然科学基金项目50774079 ; 教育部博士点基金项目 20050290503 作者简介 刘长友 1965 , 男, 山东省东营市人, 教授, 博士生导师, 工学博士, 从事矿山压力与岩层控制等方面的研究. Email cyliu cumt. edu. cnTel 051683883447 极软厚煤层大采高台阶式 综采端面煤岩稳定性控制研究 刘长友1, 黄炳香1, 常兴民2, 王 君1, 魏民涛2 1. 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室 矿业工程学院, 江苏 徐州 221008; 2. 河南神火煤电股份有限公司, 河南 永城 461670 摘要 基于对极软突出厚煤层大采高综采工作面端面煤岩稳定性的有效控制, 提出了台阶式采 煤工艺, 采用台阶式割煤方式; 用数值模拟分析了台阶式割煤的防片帮机理. 现场实测分析了大 采高开采工作面在采用台阶式回采工艺条件下端面煤岩的失稳特征. 研究表明 台阶式割煤工艺 改善了煤壁区域的应力状态, 减少了工作面煤壁片帮和端面冒顶的发生不同台阶高度比割煤所 引起的围岩破坏程度不同, 上下台阶高度比为 12 时煤壁塑性破坏区最小; 极软厚煤层大采高 开采煤壁片帮主要以剪切滑移引起的三角斜面片帮为主, 超高开采是端面顶板冒落的主因. 关键词 极软厚煤层; 大采高; 台阶式割煤工艺; 煤壁片帮 中图分类号 TD 32文献标识码 A文章编号 1000 1964 2008 060734 06 Study on T iptoFace Coal and Rock Stability Control of Fully Mechanized Stepped Large Cutting Height Mining in Extremely Soft T hick Seam LIU Changyou1, HUANG Bingxiang1, CHANG Xingmin2, WANG Jun1, WEI Mintao 2 1. State Key Laboratory of Coal Resources and M ine Safety, School of Mines, China University of Mining 2. Group of Henan Shenhuo coal electricity, Yongcheng, Henan 461670, China Abstract In order to control the surrounding rock mass stability of fully mechanized large cut ting height face in extremelysoft coalgas burst thick seam effectively, stepped mining technol ogy was presented. Prevention rib spalling mechanics of stepped cutting technology was ana lyzed by numerical simulation. T he instability character of coal or rock in tiptoface area was analyzed by field observing. The results show that the stepped cutting technology improves the stress state in coal side zone, and reduces the occurrence of sloughing and tip toface area roof caving. Surrounding rock mass destroy degree induced by different stepped height ratio is dif ferent. Coal side plastic zone of up and down stepped height ratio 12 is least. Most rib spal ling is triangular slop sloughing caused by shear slipping in high seam mining with extremely soft thick seam. Ultrahigh mining is the major reason topface area for roof fall. Key words extremelysoft thick coal seam; large cutting height; stepped mining technology; rib spalling 第 6 期 刘长友等 极软厚煤层大采高台阶式综采端面煤岩稳定性控制研究 我国煤层赋存条件复杂多样, 在具有煤与瓦斯 突出危险性厚煤层开采中, 放顶煤开采受到限制. 在厚度为 50 m 左右煤层条件下, 一次采全厚大 采高综合机械化开采是有效工艺方式之一, 但此工 作面都是在较硬或坚硬煤层条件下布置, 在软煤或 三软煤层条件下, 由于端面冒顶和煤壁片帮等围岩 控制问题难以得到有效解决, 使得该条件下安全高 效开采问题一直没有取得突破性进展, 因而成为煤 炭开采中急需研究解决的难点问题. 因此, 在具有 煤与瓦斯突出的极软厚煤层条件下, 研究能够防治 端面冒顶和煤壁片帮的新措施是一项具有开拓性 的工作. 梁北煤矿主采下石盒子组的二1煤层, 该煤层 单一稳定可采, 地质构造比较简单, 煤层结构简单, 厚度 0 10 79 m, 平均 418 m, 一般为 3 6 m, 其 中首采区煤层厚度 2 2 8 7 m, 平均 46 m. 煤的 坚固性系数 f 015 0 25, 平均 0 18. 直接顶部 分区域是大占砂岩, 区内稳定, 起伏变化小, 部分区 域为泥岩或砂质泥岩互层, 层理发育, 岩体稳定性 较差; 底板多为泥岩、 砂质、 炭质泥岩或细砂岩、 泥 岩互层, 岩体稳定性差, 起伏变化大. 煤层具有较强 的煤与瓦斯突出危险性且难抽放, 属于极软、 底软 和部分顶软的突出、 难采厚煤层. 1极软厚煤层大采高综采工艺 梁北矿 11041大采高综采工作面采用走向长 壁式布置, 走向长度 563 m, 倾斜长度 166 m, 两巷 均沿二1煤层顶板布置. 工作面煤层厚度 3 7 57 m, 平均46 m, 煤层倾角为8 15 , 平均 12 左右, 埋深 425 491 461 084 m. 11041 工作面采用走向长壁后退式综合机械 化采煤法, 全部垮落法管理顶板. 工作面三机配套 为 ZY6000/ 25/ 50 型大采高两柱掩护式综采液压 支架 表 1 、 MGT Y300/ 7301 1D 型双滚筒采煤 机和 SGZ764/ 2 315 630 型可弯曲刮板运输机. 工作面采用 5 m 大采高综采一次采全高工艺, 工 作面采高一般 3 7 48 m, 平均 4 6 m; 采煤机进 刀方式采用中部斜切进刀, 往返一次进一刀为一个 循环, 循环进度 截深 为 800 mm. ∀ 两采一准, 每 天推进 3 5 4 2 m 为一个防突循环. 每个作业循环均采用台阶式割煤 图 1 . 这样 可以增强回采期间尤其是防突措施施工期间煤壁 的稳定性, 一定程度上可以防止大面积片帮和端面 冒顶, 并为防突措施施工创造条件. 即 每一个作业 循环均采用台阶式割煤, 先采出 2 2 2 5 m 厚的 上部煤壁, 留出下台阶, 将 5 m 左右高的直煤壁割 成 2 3 m 高的台阶状, 可以防止超高煤壁长时间 停留造成大面积片帮或继而引起的端面冒顶, 同时 也作为下一个防突循环措施施工的操作平台. 这样 形成正规循环后, 每一个循环 尤其是防突循环 结 束时都留出下台阶. 表 1 ZYG6000/25/ 50 型两柱掩护式 液压支架主要技术参数 Table 1Major technology parameters of ZYG6000/ 25/50 two leg shield supports 项目参数 高度/ m2 5 5 0 宽度/ m1 43 1 6 中心距/ m1 5 初撑力/ MN5 067 P 31 5 M Pa 工作阻力/ MN6 000 P 37 3 M Pa 底板比压 前端 / MPa1 29 3 26 支护强度/ MPa0 85 0 90 图 1 台阶式割煤工艺示意 Fig. 1Schematic plan of stepped cutting technology 2大采高综采台阶式割煤的防片帮机理 2 1数值模拟方案 1 建立模型 数值模拟采用二维模型, 模型尺寸为 128 m 72 m. 采用位移边界约束, 模型左右边界 x 方向固 定, 模型下边界 y 方向固定; 模型初始 X, Y 方向速 度均为零, 模型上边界为自由边界, 施加上覆岩层 的自重载荷 7 8 MPa. 煤层厚 4 8 m, 直接顶为56 m 厚砂质泥岩, 老顶为 32 m 厚中粒砂岩. , 模型 中部为 30 m 初始开挖区域, 其上部为预垮落带 图 2 . 图 2 沿开采方向剖面计算模型 Fig. 2Numerical model along mining direction 2 岩石与煤的本构模型及其物理力学参数 煤岩塑性破坏后, 产生弱化, 强度降低, 莫尔 735 中国矿 业大学 学报 第 37 卷 库仑准则不能较贴切地反映其本构关系, 故本文对 岩石和煤采用虎克布朗 HoekBrown 强度准 则[ 1] 1s 3 mc3 s 2 c 1/ 2, 式中 1s是在岩石峰值强度时的最大主应力; 3是 最小主应力; m 和s 是材料常数, 取决于岩石性质 和原始破裂状况; c是岩石单轴抗压强度. 此外, 当 拉应力超过材料的抗拉强度时, 材料将发生拉破 坏. 表 2 给出了实验测试的煤岩物理力学参数. 3 垮落带矸石的物理力学参数 采空区冒落的矸石是一种松散介质. 宏观上, 它对顶板支撑的力学作用可近似用弹性支撑体表 示, 模型初始开挖区域预垮落带高度如图 2 所示, 运算平衡后预垮落带将垮落成为采空区冒落的矸 石. 在工作面推进的过程中, 矸石在覆岩作用下逐 步被压实, 材料的密度 、 弹性模量E 和泊松比 随 时间而变化, 可由以下经验公式表述[ 2] 1600 800 1- e- 125t, 1 E 15 1751- e - 125t , 2 v 005 021- e - 125t . 3 表 2 煤岩物理力学参数 Table 2Physical and mechanical parameters of rocks and coal 岩性 容重/ kg ∃ m- 3 体积模 量/ MPa 剪切模 量/ MPa 抗拉强 度/ M Pa 抗压强 度/ MPa ms残余 m残余 s 砂质泥岩259 01 000600 58725 850 1890 5850 019 中粒砂岩265 01 901601 10857 001 0000 7000 090 砂质泥岩257 01 901570 75685 620 1720 5620 017 二1煤130 00 850400 1021 000 0030 1000 003 粉砂岩及砂质泥岩互层265 01 000780 98595 520 1430 5520 014 砂质泥岩274 01 901520 65705 690 1810 5690 018 4 开采方案 工作面初始位置为自开切眼推进 30 m 顶板 初次来压之后 . 根据研究目的, 确定如下 4个割煤 工艺方案 方案一、 一次采全高, 无台阶割煤, 推进 0 8 m; 方案二、 台阶式割煤, 上下台阶高度比为 11, 上台阶推进 0 8 m, 平衡后割下台阶; 方案 三、 台阶式割煤, 上下台阶高度比为12, 上台阶推 进 0 8 m, 平衡后割下台阶; 方案四、 台阶式割煤, 上下台阶高度比为 2 1, 上台阶推进 08 m, 平衡 后割下台阶. 图 3 各割煤工艺推进方式 Fig. 3Propulsive manner of each mining technics 2 2工作面围岩剪切应力、 水平应力及超前支承 压力分析比较 工作面推进过程中, 在平行于煤壁前方 02 m 处设定剪切应力和水平应力监测线, 在顶板与煤层 交界处设定超前支承压力监测线. 1 剪切应力、 水平应力分析 台阶式割煤工艺与无台阶式相比, 割完上台阶 时 煤壁监测线上各点剪切应力和水平应力前者普 遍大于后者 如图 4 , 在煤壁下部, 两者剪切应力 之差最大达到 1 MPa, 在煤壁上部, 方案三 上下台 阶高度比 1 2 比无台阶时水平应力大 3 8 MPa 左 右; 割完下台阶时 如图 5 在煤壁上部和下部, 前 者剪切应力较大, 两者剪应力差值最大达到 02 MPa, 顶板下 08 m 以内和底板上 07 m 以内的 水平应力前者比后者大 0 0 3 MPa. 2 超前支承压力分析 割完上台阶时, 台阶式割煤工艺的应力峰值较 无台阶小 015 MPa, 同时峰值前移了 0 2 m, 其差 值如图 4, 可以看出前者支承压力的极限平衡区宽 度减小, 且极限平衡区内的支承压力增大. 割完下 台阶时, 从图 5 可以看出 4种方案支承应力区别不 大. 736 第 6 期 刘长友等 极软厚煤层大采高台阶式综采端面煤岩稳定性控制研究 图 4 割完上台阶时各方案剪切应力、 水平应力及超前支承压力比较 Fig. 4Shearing stresses、 horizontal stresses and advance supporting stresses of each programme after mining the upper step 图 5 割完下台阶时各方案剪切应力、 水平应力及超前支承压力比较 Fig. 5Shearing stresses, horizontal stresses and advance supporting stresses of each programme after mining the lower step 可以看出 无论在割上台阶时, 还是在完成一 个循环进尺后, 台阶式割煤工艺煤壁剪切应力和水 平应力均较大. 根据三维应力条件下岩体强度的围 压效应, 水平应力增加使得煤壁煤体强度增加, 有 利于防止煤壁片帮; 剪应力越大说明塑性破坏程度 较轻, 煤壁完整性好, 煤壁承载能力越强, 煤壁片帮 程度轻. 2 3煤壁煤体的水平位移变化规律 推进一个循环进尺后, 各方案煤壁上各点水平 位移差如图 6. 从图中可以看出, 不同台阶高度比 对煤壁变形影响不大, 但可以很清楚的看出台阶式 割煤工艺煤壁上各点水平位移均比无台阶式小 1 3 cm. 可见, 台阶式割煤工艺有利于控制煤壁的 变形. 在台阶式割煤方案中, 上下台阶高度比 12 方案三 时煤壁中上部的水平位移相对最小, 此时 更有利于对煤帮的控制. 图 6 各方案煤壁水平位移差 Fig. 6Difference of level displacement about each programme 2 4工作面围岩塑性区的分布规律 工作面围岩塑性区的分布规律见图 7. 图 7 工作面围岩塑性区的分布 Fig. 7Plastic area distribution in surrounding rock of the work face 推进一个循环进尺后, 台阶式割煤工艺方案二 上下台阶高度比 11 煤壁塑性破坏区最大宽度 为 6 69 m、 方案三 上下台阶高度比 12 煤壁塑 性破坏区最大宽度为 659 m、 方案四 上下台阶高 度比 2 1 煤壁塑性破坏区最大宽度为 6 66 m, 无 台阶式割煤工艺煤壁塑性破坏区最大宽度为 682 m. 前者塑性区皆小于后者, 特别是下位煤层的塑 性区宽度明显小于后者, 说明煤壁破坏程度轻, 有 737 中国矿 业大学 学报 第 37 卷 较好的支撑能力. 其中, 上下台阶高度比为 12时 的塑性破坏区最小, 下位煤层的塑性区宽度也最 小, 更有利于防治煤壁片帮. 3极软厚煤层大采高综采面端面煤岩的稳 定性控制 3 1端面煤岩的失稳特征 实测统计表明, 煤壁片帮主要发生在工作面上 下部位的上台阶处, 而且以来压期间最为明显, 片 帮发生率占 70 左右. 片帮形式主要以剪切滑移 引起的三角斜面片帮为主, 顶部最大片帮深度在 0 3 0 8 m 范围. 由于煤层极软, 在上台阶距顶板 1 5 m 以下的煤帮, 压缩致密性较好, 有利于煤帮 的稳定性. 端面顶板的冒落主要发生在超高开采的 情况下, 即当煤层厚度超过最大采高时, 支架顶梁 上方为极软的顶煤, 采煤机在上台阶割煤后即发生 冒落. 此外, 当煤壁发生较大范围片帮时, 不稳定的 泥岩直接顶也会发生冒顶. 冒顶高度在 0 5 15 m 不等. 由于工作面上部顶板较破碎, 端面冒顶主 要发生在工作面上部. 3 2端面煤岩稳定性的控制措施 在大采高开采工作面, 控制端面煤岩的稳定性 是关键, 尤其在极软厚煤层大采高开采条件下. 由 于采用了台阶式回采工艺, 改善了煤帮的应力环 境, 因而从根本上降低了发生片帮的几率, 提高了 煤壁的稳定性. 此外, 还采取了如下控制端面煤岩 稳定性的措施. 1 提高支架初撑力. 根据顶板的赋存条件, 初 撑力至少要能控制 13 5 m 范围煤岩层, 包括超高 开采时的顶煤和直接顶岩层不发生离层, 即保证支 架初撑力不低于 2. 531 MN, 为支架额定初撑力的 50 . 为了提高支护质量, 加大支架对端面顶板的 水平力, 提高支架的稳定性, 并考虑到顶底板较软 对支架初撑力的影响, 确定支架初撑力的下限指标 为不低于额定初撑力的 60. 通过提高支架完好 性和支架操作质量, 减少液压管路漏损和保证液压 泵站额定工作压力来实现. 2 固底沿顶开采. 在煤层厚度变大, 出现超高 开采时, 为了避免沿底开采时支架上方顶煤冒顶以 及由此引起的支架失稳, 采用加固底煤, 跟顶板开 采的方法, 从而较好的控制了端面煤岩的稳定性. 3 及时护顶. 由于端面煤岩稳定性较差, 工作 面回采中采用带压移架、 利用支架的伸缩前梁及时 伸出护顶和护帮板及时护帮的方法, 既确保了大采 高支架的稳定性, 又较好的控制了端面顶板的冒落 和煤壁片帮. 3 3控制效果分析 在极软厚煤层大采高开采中, 由于掌握了顶板 的活动规律、 矿压显现特征和煤岩的失稳特征, 采 取了有效的煤岩控制措施, 从而使端面煤岩的稳定 性得到了有效控制, 片帮冒顶基本得到控制, 提高 了支架的稳定性, 保持了支架良好的位态, 避免了 大采高支架的失稳倒架现象, 从而保证了工作面的 安全高效生产. 工作面月产量平均 8 10 万 t/ 月, 原煤工效 36 4 45 5 t/ 工, 取得了显著的技术经 济效益. 4结论 1 基于对极软突出厚煤层大采高综采工作面 围岩稳定性的有效控制, 首次提出了台阶式采煤工 艺, 采用台阶式割煤方式, 改善了煤壁区域的应力 状态, 减小了工作面煤壁片帮和端面冒顶的发生, 且利于工作面防突措施的实施. 2 台阶式割煤工艺降低一次割煤高度, 下台 阶煤体对上台阶特别是上台阶底部煤体水平变形 起到一定的约束作用, 导致煤壁区域水平应力比无 台阶时大, 工作面超前支承压力极限平衡区内压力 增大. 煤壁区域煤体的承载能力增强, 有利于控制 煤壁片帮. 3 上下台阶高度比对控制煤壁片帮效果的影 响. 在上下台阶高度比为 12, 11 和 2 1 中, 上 下台阶高度比为 1 2 上台阶高 16 m, 下台阶高 3 2 m 时煤壁塑性破坏最小, 且煤壁片帮程度最 轻; 台阶高度上下比为 11 上下台阶高皆为 24 m 时次之. 但考虑到采煤机的滚筒直径为 2 000 mm, 梁北矿的台阶式割煤工艺上下台阶高度比宜 为 11 上下台阶高皆为 24 m . 4 极软厚煤层大采高开采煤壁片帮主要以剪 切滑移引起的三角斜面片帮为主, 超高开采是端面 顶板冒落的主要原因. 通过提高支架初撑力、 固底 沿顶开采和及时护顶等措施, 有效控制了端面煤岩 的失稳, 取得了良好的效益. 参考文献 [1]王金华. 我国大采高综采技术与装备的现状及发展 趋势[ J] . 煤炭科学技术, 2006, 34 1 47. 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